Nghiên Cứu Hệ Thống Thông Tin Không Đối Đất Sử Dụng Dải Lọc Đa Sóng

Chuyên khảo phân tích Luận văn nghiên cứu hệ thống thông tin không đối đất sử dụng dải lọc đa sóng mang, đánh giá các khía cạnh quan trọng, đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo.

• Tác giả: Phạm Tiến Dũng
• Người hướng dẫn: TS. Đào Minh Hưng
• Trường học: Trường Đại Học Quy Nhơn
• Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn thông
• Đề tài: Nghiên Cứu Hệ Thống Thông Tin Không Đối Đất Sử Dụng Dải Lọc Đa Sóng
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Bình Định

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG L-DACS1
• 1.1. Sơ lược về các hệ thống thông tin hàng không
• 1.2. Khái niệm hệ thống L-DACS
• 1.3. Mô tả hệ thống L-DACS1
• 1.4. Mô hình kênh truyền
• 1.5. Đặc trưng băng tần L
• 1.6. Thiết kế lớp vật lý
• 1.7. Triển khai L-DACS1
• 1.8. Đặc điểm hệ thống L-DACS1
• 1.9. Các giao thức và dịch vụ lớp vật lý
• 1.10. Đặc điểm lớp vật lý
• 1.11. Đường truyền hướng tới FL - OFDM
• 1.12. Đường truyền phản hồi RL, chuyển đổi OFDMA – TDMA
• 1.13. Thông số lớp PHY
• 1.14. Kỹ thuật giảm thiểu nhiễu
• 1.15. Kết luận chương
• 2. CHƯƠNG 2: TÌM HIỂU KỸ THUẬT FBMC
• 2.1. Giới thiệu FBMC
• 2.2. Kỹ thuật điều chế trong FBMC
• 2.2.1. Điều chế đa xung
• 2.2.2. Ghép kênh phân chia tần số trực giao OFDM
• 2.2.3. Đa tần điều chế Cosine CMT
• 2.2.4. Đa tần điều chế so le SMT
• 2.2.5. Mô hình rời rạc thời gian, OFDM – OQAM
• 2.3. Bộ lọc nguyên mẫu cho FBMC
• 2.3.1. Giới thiệu bộ lọc nguyên mẫu
• 2.3.2. Thông số kỹ thuật của bộ lọc nguyên mẫu
• 2.3.3. Thiết kế bộ lọc nguyên mẫu
• 2.3.4. Thiết kế bộ lọc cải tiến
• 2.4. Kết luận chương
• 3. CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU TÍNH NĂNG NỔI BẬT CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN KHÔNG ĐỐI ĐẤT
• 3.1. Giới thiệu chương
• 3.2. Các hệ thống trong băng tần L hiện có
• 3.3. Mô hình tín hiệu thiết bị đo khoảng cách DME
• 3.4. Các hệ thống thông tin băng tần L trong tương lai
• 3.5. Mô hình kênh không đối đất băng tần L
• 3.6. Kết quả mô phỏng
• 3.6.1. Tỷ lệ công suất đỉnh/trung bình PAPR
• 3.6.2. Hình phổ tín hiệu ghép kênh phân chia tần số FDM (Frequency Division Multiplexing)
• 3.6.3. Mật độ phổ công suất
• 3.6.4. Hiệu suất BER
• 3.7. Kết luận chương
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC

Tóm tắt

I. Tổng Quan Hệ Thống Thông Tin Không Đối Đất L DACS

Giao thông hàng không tăng trưởng nhanh chóng thúc đẩy nghiên cứu về cơ sở hạ tầng thông tin tương lai (FCI). Các hệ thống hiện tại ở dải VHF có nguy cơ tắc nghẽn. Năm 2002, ICAO công nhận nhu cầu cải thiện cơ sở hạ tầng cho quản lý không lưu (ATM). Các nghiên cứu chung Âu - Mỹ từ 2004 hỗ trợ ICAO phát triển FCI, bao gồm liên kết không đối đất (A/G) và vệ tinh. Sự phát triển của FCI là một phần của SESAR (châu Âu) và NextGen (Mỹ). Công nghệ hàng không thay đổi chậm hơn so với thương mại, do đó FCI vẫn đang được nghiên cứu và phát triển. Hệ thống thông tin không đối đất trong tương lai dự kiến triển khai ở băng tần L (960 – 1.164 MHz), do ITU phân bổ. Luận văn này nghiên cứu các công nghệ và hệ thống mới cho cơ sở hạ tầng thông tin hàng không, tập trung vào băng tần L.

1.1. Giới thiệu hệ thống thông tin hàng không số L DACS

Hệ thống thông tin hàng không số băng tần L (L-DACS) được EUROCONTROL đề xuất. Đây là ứng dụng hệ thống thông tin đa sóng mang dựa trên ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM. Các nghiên cứu đang xem xét nhiều định dạng điều chế khác nhau để cải thiện hệ thống truyền dẫn. Một trong số đó là dải bộ lọc đa sóng mang FBMC. Nghiên cứu hệ thống thông tin dựa trên FBMC để tiết kiệm phổ tần số, tăng dung lượng và hiệu năng là xu hướng hiện nay. L-DACS là một phần quan trọng trong việc phát triển cơ sở hạ tầng thông tin hàng không tương lai.

1.2. Vai trò của băng tần L trong thông tin hàng không

Băng tần L (960 – 1.164 MHz) được Liên minh Viễn thông Quốc tế (ITU) phân bổ cho các hệ thống thông tin không đối đất. Dải tần số này phù hợp cho truyền dẫn vô tuyến hàng không. Việc sử dụng băng tần L giúp giải quyết tình trạng bão hòa của băng tần VHF hiện tại. Các hệ thống thông tin không đối đất trong tương lai dự kiến sẽ được triển khai trong băng tần L, mang lại hiệu quả cao hơn về băng thông và tốc độ dữ liệu. Nghiên cứu và phát triển các công nghệ mới trong băng tần L là rất quan trọng để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của ngành hàng không.

II. Vấn Đề Băng Thông VHF Bão Hòa Cần Giải Pháp Mới

Việc sử dụng phương tiện hàng không ngày càng tăng dẫn đến lưu lượng thông tin phát triển nhanh chóng. Điều này tạo ra nhu cầu về các kênh có băng thông lớn hơn. Sự tăng trưởng giao thông hàng không tại sân bay đòi hỏi hạ tầng quản lý không lưu ATM tiên tiến và hiệu quả. Hệ thống cần có khả năng đối phó với vấn đề khan hiếm phổ tần, nhu cầu ngày càng tăng về băng thông và tốc độ dữ liệu cao hơn. Hệ thống thông tin không đối đất A/G hiện tại sử dụng băng tần hàng không VHF từ 118 – 137 MHz. Tuy nhiên, băng tần VHF đã bão hòa, gây khó khăn cho việc mở rộng và nâng cấp hệ thống.

2.1. Giới hạn của băng tần VHF trong hệ thống hiện tại

Băng tần VHF (118 – 137 MHz) đang được sử dụng cho hệ thống thông tin không đối đất A/G. Tuy nhiên, băng tần này đã bão hòa do lưu lượng thông tin ngày càng tăng. Việc mở rộng và nâng cấp hệ thống gặp nhiều khó khăn do giới hạn về phổ tần. Điều này ảnh hưởng đến hiệu quả và khả năng đáp ứng nhu cầu của ngành hàng không. Cần có giải pháp mới để khắc phục tình trạng này.

2.2. Nhu cầu về băng thông lớn hơn và tốc độ dữ liệu cao hơn

Sự tăng trưởng của giao thông hàng không tạo ra nhu cầu về băng thông lớn hơn và tốc độ dữ liệu cao hơn. Các ứng dụng mới như truyền video và dữ liệu thời gian thực đòi hỏi hệ thống thông tin có khả năng đáp ứng. Băng tần VHF hiện tại không đủ khả năng để đáp ứng nhu cầu này. Cần có hệ thống thông tin mới với băng thông rộng hơn và tốc độ dữ liệu cao hơn để hỗ trợ các ứng dụng tiên tiến trong ngành hàng không.

III. Giải Pháp Dải Lọc Đa Sóng FBMC Cho Thông Tin A G

Để khắc phục tình trạng giới hạn phổ tần trong băng tần VHF, cơ sở hạ tầng thông tin tương lai FCI được ICAO khuyến cáo sử dụng băng tần L (960 − 1.164 MHz). EUROCONTROL đề xuất hệ thống thông tin hàng không số băng tần L – L-DACS như một ứng dụng hệ thống thông tin đa sóng mang dựa trên ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM. Trong tìm kiếm các hệ thống truyền dẫn tốt hơn, các nghiên cứu đang xem xét nhiều định dạng điều chế khác nhau. Một trong số đó là dải bộ lọc đa sóng mang FBMC. Việc nghiên cứu hệ thống thông tin dựa trên FBMC để tiết kiệm phổ tần số, tăng dung lượng và hiệu năng là xu hướng hiện nay.

3.1. Ưu điểm của FBMC so với OFDM truyền thống

FBMC (Filter Bank Multicarrier) cung cấp độ mạnh hơn cho thời gian và tần số so với OFDM và không sử dụng tiền tố tuần hoàn CP. Trong hệ thống FBMC, tín hiệu có sự ngăn chặn nhiễu phổ cao sẽ được sử dụng để giảm tín hiệu các thùy biên của từng tần số sóng mang con. Điều này giúp cải thiện hiệu suất và hiệu quả sử dụng băng thông so với OFDM truyền thống. FBMC là một lựa chọn hấp dẫn cho các hệ thống thông tin không đối đất trong tương lai.

3.2. Tiết kiệm phổ tần và tăng dung lượng với FBMC

Hệ thống thông tin dựa trên FBMC có khả năng tiết kiệm phổ tần số và tăng dung lượng. Điều này rất quan trọng trong bối cảnh khan hiếm phổ tần hiện nay. FBMC sử dụng các bộ lọc để giảm nhiễu giữa các kênh con, cho phép sử dụng phổ tần hiệu quả hơn. Ngoài ra, FBMC có thể hỗ trợ tốc độ dữ liệu cao hơn so với các hệ thống truyền thống. Nghiên cứu và phát triển FBMC là một hướng đi tiềm năng để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của ngành hàng không.

IV. Kỹ Thuật FBMC Tìm Hiểu Sâu Về Điều Chế Đa Sóng

Các cuộc nghiên cứu gần đây về thông tin không dây thế hệ thứ năm 5G đã khởi đầu một làn sóng quan tâm mạnh mẽ hơn nhiều về kỹ thuật FBMC. Sự thay đổi quan tâm này rõ ràng là do những hạn chế của OFDM trong các mạng năng động hơn và đa người dùng trong tương lai. Một số đề xuất đã được đưa ra để áp dụng các dạng sóng mới với khả năng ngăn chặn nhiễu phổ đã cải thiện. Ví dụ điển hình của hoạt động này là dự án 5GNOW (5th Generation Non-Orthogonal Waveforms) ở châu Âu, nó thách thức LTE và LTE-Advanced để đáp ứng nhu cầu năng động của 5G.

4.1. Tổng quan về kỹ thuật điều chế FBMC

FBMC là sự kết hợp giữa ghép kênh và điều chế bằng cách chia kênh băng rộng thành một số kênh băng hẹp được gọi là kênh con. Các giá trị điều chế phức của các hệ thống FBMC sẽ được trải trên một số sóng mang và được lọc bởi bộ lọc nguyên mẫu. Hệ thống FBMC cung cấp độ mạnh hơn cho thời gian và tần số so với OFDM và không sử dụng tiền tố tuần hoàn CP. Trong hệ thống FBMC, tín hiệu có sự ngăn chặn nhiễu phổ cao sẽ được sử dụng để giảm tín hiệu các thùy biên của từng tần số sóng mang con.

4.2. Các dự án nghiên cứu về FBMC 5GNOW PHYDYAS

Dự án 5GNOW (5th Generation Non-Orthogonal Waveforms) ở châu Âu thách thức LTE và LTE-Advanced để đáp ứng nhu cầu năng động của 5G. 5GNOW đã xác định bốn lựa chọn thay thế cho dạng sóng để phục vụ tốt hơn nhu cầu 5G. Các dạng sóng này được xây dựng dựa trên một số loại lọc có thể được coi là áp dụng phương pháp FBMC để phù hợp với các nhu cầu khác nhau của các ứng dụng khác nhau. Một hoạt động lớn khác đã thực hiện nghiên cứu rộng rãi về FBMC là dự án nghiên cứu lớp vật lý cho truy cập phổ động PHYDYAS (Physical Layer for Dynamic Spectrum Access) cũng ở châu Âu.

V. Nghiên Cứu Hiệu Năng FBMC Trong Hệ Thống Thông Tin A G

Một số nghiên cứu đã được thực hiện để tìm ra hệ thống thông tin hàng không số băng tần L (L-DACS) cho hỗ trợ FCI. Năm 2007, EUROCONTROL đề xuất L-DACS1 và L-DACS2 là hai đề cử FCI. Sau khi nghiên cứu, họ đã chọn L-DACS1, vì công nghệ tiên tiến hơn được sử dụng trong L-DACS1 dẫn đến hiệu suất tốt hơn đáng kể. Hệ thống thông tin A/G mới dựa trên FBMC được đề xuất dựa trên hệ thống L-DACS1 và có các tham số lớp vật lý tương tự như L-DACS1 (ví dụ, bằng tổng số sóng mang con, khoảng cách sóng mang con và tổng BW). FBMC có nhiều ưu điểm hơn L-DACS1, chẳng hạn như hiệu suất và hình phổ tốt hơn.

5.1. So sánh FBMC với L DACS1 về hiệu suất và hình phổ

FBMC có nhiều ưu điểm hơn L-DACS1, chẳng hạn như hiệu suất và hình phổ tốt hơn. Điều này có nghĩa là FBMC có thể cung cấp tốc độ dữ liệu cao hơn và sử dụng phổ tần hiệu quả hơn so với L-DACS1. Ngoài ra, FBMC có khả năng giảm nhiễu tốt hơn, giúp cải thiện chất lượng tín hiệu. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng FBMC là một lựa chọn tiềm năng cho các hệ thống thông tin không đối đất trong tương lai.

5.2. Mô phỏng đánh giá hiệu năng hệ thống FBMC sử dụng Matlab

Sử dụng phần mềm Matlab thực hiện mô phỏng để đánh giá hiệu năng hệ thống và hiệu quả sử dụng băng thông qua tỷ số BER và mật độ phổ công suất PSD (Power Spectral Density). Các kết quả mô phỏng cho thấy FBMC có hiệu suất tốt hơn so với các hệ thống truyền thống. Điều này chứng minh rằng FBMC là một lựa chọn hấp dẫn cho các ứng dụng thông tin không đối đất.

VI. Kết Luận FBMC Tương Lai Của Thông Tin Không Đối Đất

Nghiên cứu hệ thống thông tin không đối đất dựa trên dải bộ lọc đa sóng mang FBMC. Sử dụng phần mềm Matlab thực hiện mô phỏng để đánh giá hiệu năng hệ thống và hiệu quả sử dụng băng thông qua tỷ số BER và mật độ phổ công suất PSD (Power Spectral Density). Hệ thống thông tin hàng không số băng tần L (L-DACS) và hệ thống thông tin không đối đất dựa trên dải bộ lọc đa sóng mang FBMC là những công nghệ đầy hứa hẹn cho tương lai của ngành hàng không.

6.1. Tóm tắt ưu điểm của FBMC trong thông tin hàng không

FBMC mang lại nhiều ưu điểm cho thông tin hàng không, bao gồm tiết kiệm phổ tần, tăng dung lượng, hiệu suất cao và khả năng giảm nhiễu. FBMC là một lựa chọn hấp dẫn cho các hệ thống thông tin không đối đất trong tương lai, giúp đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của ngành hàng không.

6.2. Hướng phát triển và nghiên cứu tiếp theo về FBMC

Cần có thêm nghiên cứu và phát triển về FBMC để tối ưu hóa hiệu suất và khả năng ứng dụng trong các hệ thống thông tin không đối đất. Các hướng nghiên cứu tiềm năng bao gồm thiết kế bộ lọc, cân bằng kênh, đồng bộ hóa và ứng dụng cho các kênh MIMO. Ngoài ra, cần có sự hợp tác giữa các nhà nghiên cứu, nhà sản xuất và các cơ quan quản lý để thúc đẩy việc triển khai FBMC trong ngành hàng không.

Nội dung chính

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.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng quan về hệ thống L-DACS1 Chương này trình bày khái quát về các hoạt động và quá trình phát triển công nghệ L-DACS1. Giải thích ngắn gọn khái niệm hệ thống L-DACS1. + Chương 2: Tìm hiểu kỹ thuật FBMC Chương này tìm hiểu mô hình lý thuyết, sơ đồ khối của kỹ thuật FBMC; Tìm hiểu kỹ thuật điều chế trong FBMC, tìm hiểu bộ lọc nguyên mẫu được sử dụng trong kỹ thuật FBMC. + Chương 3: Nghiên cứu tính năng nổi bật của hệ thống thông tin không đối đất FBMC Chương này mô tả hệ thống thông tin không đối đất dựa trên kỹ thuật FBMC và chỉ ra các ưu điểm của nó vượt qua các hệ thống L-DACS.

Thực hiện mô phỏng đáng giá các thông số hệ thống. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG L-DACS1 Chương này trình bày tổng quan về các hoạt động và quá trình phát triển công nghệ L-DACS1 và giải thích ngắn gọn khái niệm hệ thống L-DACS1. Sơ lược về các hệ thống thông tin hàng không Hiện nay, băng tần thông tin hàng không VHF (118 – 136,975 MHz) hiện được sử dụng cho thông tin không đối đất đang trở nên tắc nghẽn và các khái niệm về Quản lý không lưu ATM trong tương lai sẽ yêu cầu sử dụng nhiều thông tin dữ liệu hơn hiện nay. Việc tìm kiếm để xác định một hệ thống thông tin tương lai FCS (Future Communication System) phù hợp với các hoạt động ATM đã được dự kiến, Cục Hàng không liên bang Mỹ FAA (Federal Aviation Administration) và EUROCONTROL đã khởi xướng một nghiên cứu chung trong kế hoạch hành động 17 – AP17 (Action Plan 17), với sự hỗ trợ của Cơ quan hàng không và vũ trụ quốc gia Mỹ NASA và các nhà đầu tư ở Mỹ và châu Âu, để nghiên cứu các công nghệ phù hợp và đưa ra các khuyến cáo cho hội thảo thông tin hàng không ACP (Aeronautical Communications Panel) của ICAO.

Một trong những công nghệ được xem xét trong giai đoạn đầu của hoạt động AP17 là hệ thống băng thông rộng – tần số rất cao B-VHF (Broadband – Very High Frequency) được thiết kế để hoạt động trong dải tần VHF. Công nghệ này được phát triển trong dự án nghiên cứu B-VHF và được đồng tài trợ bởi chương trình hợp tác lần thứ sáu của Ủy ban châu Âu. Dự án B-VHF đã hoàn thành một số lượng đáng kể công việc trong việc phát triển và thiết kế hệ thống đa sóng mang dựa trên kỹ thuật OFDM hoạt động trong băng tần VHF. Lựa chọn triển khai trên B-VHF được coi là khả thi trong dự án B-VHF, nhưng đòi hỏi nỗ lực cao.

Xem xét sự tắc nghẽn mạnh mẽ của băng tần VHF, đặc biệt là trong bối cảnh châu Âu, cũng như đặc tính lan truyền của các băng tần được đề cử (băng tần VHF, L và C), các hoạt 7 động của kế hoạch hành động 17 hợp tác giữa EUROCONTROL và FAA đã xác định băng tần L là băng tần được nhắm tới cho hệ thống liên kết dữ liệu mặt đất mới vào năm 2020 và xa hơn nữa. Năm 2007, EUROCONTROL đưa ra các cuộc nghiên cứu về một công nghệ tương tự như B-VHF, nhưng hoạt động trong băng tần L hàng không (960 – 1.164 MHz) gần đây đã được cung cấp cho dịch vụ di động hàng không AMS (Aeronautical Mobile Service). Công việc thiết kế lại hệ thống B-VHF có liên quan được tiến hành trong một nghiên cứu riêng của EUROCONTROL. Tên chung cho hệ thống băng tần L mới là thông tin đa sóng mang hàng không băng thông rộng B-AMC (Broadband - Aeronautical Multicarrier Communication).

Mục tiêu của nghiên cứu B-AMC là tái sử dụng thiết kế hệ thống B-VHF đến mức tối đa có thể khi thiết kế hệ thống B- AMC trong băng tần L. Hệ thống B-AMC được thiết kế phù hợp với tài liệu khái niệm và các yêu cầu thông tin đang hoạt động COCRv2 (Communications Operating Concept and Requirements version 2). Đặc biệt, phạm vi của các dịch vụ được hỗ trợ đã bị giới hạn bởi các nhóm dịch vụ không lưu ATS (Air Traffic Services) và điều hành khai thác hàng không AOC (Aeronautical Operational Control) có liên quan đến sự an toàn của chuyến bay. Do tính chất đặc trưng của nhiễu trong băng tần L, cần phải có những thay đổi đáng kể so với thiết kế B-VHF cơ bản, đặc biệt ảnh hưởng đến thiết kế của lớp vật lý PHY (Physical Layer) B-AMC.

Khái niệm hệ thống L-DACS Kết quả cuối cùng của hoạt động AP17 là không có công nghệ đơn lẻ nào có thể được khuyến cáo để xem xét thêm, chủ yếu là do lo ngại về khả năng tương thích hoạt động (Nhiễu giữa hệ thống mới và các hệ thống băng tần L đã triển khai khác). Tuy nhiên, các hoạt động của AP17 đã xác định các 8 tính năng mong muốn mà hệ thống băng tần L trong tương lai sẽ hoàn thành. Dựa trên các tính năng này, hai lựa chọn cho hệ thống thông tin hàng không số băng tần L (L-DACS) đã được đề xuất. Một lựa chọn L-DACS1 dựa trên kỹ thuật song công phân chia tần số FDD (Frequency Division Duplex), sử dụng điều chế OFDM.

Hệ thống L- DACS1 được bắt nguồn từ các công nghệ B-AMC và WiMAX (IEEE 802. Một lựa chọn khác L-DACS2 sử dụng kỹ thuật song công phân chia thời gian TDD (Time Division Duplex) kết hợp với điều chế khóa dịch pha tối thiểu Gauss GMSK (Gaussian Minimum Shift Keying). Nó là một dẫn xuất của công nghệ liên kết dữ liệu băng tần L – LDL (L-band Data Link) và hệ thống thông tin Hàng không đa sóng mang đa năng AMACS (All-purpose Multi-carrier Aviation Communication System). Nhiệm vụ cụ thể của EUROCONTROL đã tạo ra một bộ thông số hệ thống ban đầu cho L-DACS1, cũng như một bộ các thông số ban đầu cho thiết bị nguyên mẫu L-DACS1.

Một nhiệm vụ song song tương tự đã được thực hiện liên quan đến lựa chọn L-DACS2. Mô tả hệ thống L-DACS1 Hệ thống đầy đủ chức năng của FCI bao gồm cả liên kết dữ liệu A/G và A/A. Khái niệm L-DACS1 cung cấp cả hai chức năng cần thiết dựa trên công nghệ chung. L-DACS1 cung cấp hai chế độ hoạt động, một cho thông tin không đối đất và một cho thông tin không đối không.

Hai chế độ này sử dụng các kênh vô tuyến khác nhau với các lớp vật lý và lớp liên kết dữ liệu khác nhau. L-DACS1 mặt đất chỉ được yêu cầu cho thông tin A/G. Nếu một người sử dụng mặt đất phải tham gia vào thông tin A/A (ví dụ: giám sát), thì một trạm vô tuyến mặt đất giống như nó được cài đặt trên máy bay sẽ được yêu cầu. 9 Trong cả hai chế độ, L-DACS1 phải cùng hoạt động với các hệ thống băng tần L hàng không hiện có (DME, JTIDS/MIDS, UAT, GNSS, RSBN và SSR/Mode S), cũng như với các hệ thống gần với băng tần L hàng không (GSM/UMTS).

L-DACS1 đã được thiết kế để giảm thiểu nhiễu đến và đi từ các hệ thống khác này. Tình trạng nhiễu cụ thể đã ảnh hưởng các quyết định liên quan đến thiết kế hệ thống cấp độ cao L-DACS1. Thiết kế L-DACS1 chế độ A/G kế thừa các tính năng chính của thiết kế hệ thống B-AMC. Giống như B-VHF và B-AMC, hệ thống con L-DACS1 A/G là một hệ thống băng thông rộng di động đa ứng dụng có khả năng đồng thời cung cấp các loại dịch vụ không lưu ATS và dịch vụ thông tin điều khiển hoạt động hàng không AOC từ các trạm mặt đất GS (Ground Station).

Phạm vi phủ sóng ô vật lý L-DACS1 thực sự được tách riêng ra từ vùng phủ hoạt động yêu cầu cho một dịch vụ cụ thể. Các dịch vụ yêu cầu vùng phủ sóng rộng (ví dụ: liên kết dữ liệu A/G) được cài đặt tại một số ô L-DACS1 liền kề. Từ quan điểm dịch vụ phủ sóng diện rộng, việc chuyển giao giữa các ô L-DACS1 liên quan là liền mạch, tự động và rõ ràng cho người dùng. Do đó, khái niệm thông tin L-DACS1 A/G mở ra cho khái niệm quản lý không gian năng động trong tương lai.

Hệ thống L-DACS1 A/G cung cấp liên kết dữ liệu định địa chỉ điểm đến điểm hai chiều bao gồm liên kết hướng tới FL và liên kết phản hồi RL. Hệ thống con liên kết dữ liệu L-DACS1 có thể được tích hợp như một mạng con của mạng viễn thông hàng không dựa trên bộ giao thức IP (ATN/IPS) hoặc ATN/OSI. Lớp vật lý và lớp liên kết dữ liệu của hệ thống L-DACS1 A/G được tối ưu hóa cho thông tin liên kết dữ liệu, và hệ thống cũng hỗ trợ thông tin thoại không đối đất (với việc phát lại thông qua GS). Mô hình kênh truyền L-DACS1 hoạt động trong chế độ A/G là một hệ thống điểm – đa điểm di động.

Mô hình kênh truyền hình sao (Hình 1.1) cho hệ thống A/G, trong đó các trạm trên không AS (Aircraft Station) thuộc máy bay trong một khối không gian nhất định (ô L-DACS1) được kết nối với trạm mặt đất GS điều khiển. Trạm mặt đất nằm ở trung tâm điều khiển thông tin không đối đất A/G, đồng thời có thể hỗ trợ nhiều liên kết hai chiều tới các AS dưới sự điều khiển của nó. Trước khi sử dụng hệ thống, một AS phải đăng ký tại GS điều khiển để thiết lập các kênh logic chuyên dụng cho dữ liệu thiết bị sử dụng và điều khiển. Các kênh điều khiển có các nguồn thông tin được phân bổ tĩnh, trong khi các kênh của thiết bị sử dụng có các nguồn thông tin được phân chia động theo nhu cầu hiện tại.

Các kênh logic chỉ tồn tại giữa GS và AS. Truyền thoại và dữ liệu trực tiếp giữa AS của cùng một ô không thể thực hiện được nếu không có chức năng chuyển tiếp hoạt động tại GS.1 Cấu trúc liên kết L-DACS1 1. Đặc trưng băng tần L L-DACS1 được thiết kế để hoạt động ở phần thấp của băng tần L (960 – 1.164 MHz) mà không gây nhiễu hoặc bị ảnh hưởng bởi nhiễu từ các hệ thống băng tần L hiện có. Hiện tại, một số hệ thống khác đã hoạt động trong băng tần L, như trong hình 1.2 Việc sử dụng băng tần L hiện tại Thiết bị đo khoảng cách DME (Distance Measuring Equipment) hoạt động như một hệ thống song công phân chia tần số FDD trên lưới kênh 1MHz là thiết bị sử dụng chính của băng tần L.

Các bộ phận của băng tần này được sử dụng ở một số quốc gia bởi hệ thống phân phối thông tin đa chức năng quân sự MIDS (Multi-Function Information Distribution System). Một số kênh cố định được phân bổ cho hệ thống thu phát truy cập toàn cầu UAT (Universal Access Transceiver) và cho radar giám sát thứ cấp SSR (Secondary Surveillance Radar) hoặc hệ thống tránh va chạm trên không ACAS (Airborne Collision Avoidance System).