TT LV ThS Le Van Ngoc 2014 - Tài nguyên số

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG
---------------------------------------
Lê Văn Ngọc
NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG ALE 3G
TRONG THÔNG TIN SÓNG NGẮN
Chuyên ngành: Kỹ thuật Viễn thông
Mã số: 60.52.02.08
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
HÀ NỘI - 2014
Luận văn được hoàn thành tại:
HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG
Người hướng dẫn khoa học: TS. Nguyễn Đức Nhân
Phản biện 1: TS. Đặng Hoài Bắc
Phản biện 2: PGS.TS. Trương Vũ Bằng Giang
Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ tại
Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông
Vào lúc: 8 giờ 50 ngày 9 tháng 8 năm 2014
Có thể tìm hiểu luận văn tại:
- Thư viện của Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông
1
LỜI MỞ ĐẦU
ALE có nghĩa là "Thiết lập kênh truyền tự động" và dùng để
chỉ hệ thống thông tin có khả năng tự động chọn kênh (tần số công
tác) trong tập hợp các kênh đã chuẩn bị nhằm nâng cao độ tin cậy
của thông tin liên lạc trong điều kiện kênh truyền bị tác động mạnh
của nhiễu.
Một vấn đề mới nảy sinh là sản phẩm của các nhà sản xuất HF
riêng rẽ không có tính tương tác lẫn nhau. Trong các chế độ tự động
hóa cao của các máy thu phát HF mới, không thể đảm bảo tự động
kết nối giữa các mạng sử dụng thiết bị của các nhà sản xuất khác
nhau nên cần phải có một tiêu chuẩn thống nhất cho ALE. Hai tiêu
chuẩn ALE ra đời năm 1990 là MIL-STD-188-141A dành cho thông
tin quân sự và FED-STD-1045 dành cho thông tin dân sự. Các tiêu
chuẩn mới nhất hiện nay (năm 1998) là MIL-STD-188-141B và
STANAG 4538 đã được chấp nhận.
Hiện nay khoa học kỹ thuật ngày càng phát triển, cùng với các
kỹ thuật mã hóa tín hiệu, các hệ thống thông tin sóng ngắn cũng cũng
có những bước phát triển vượt bậc về công nghệ. Vì vậy đặt ra yêu
cầu về khả năng thiết lập đường truyền nhanh hơn, khả năng thiết lập
đường truyền tốt hơn, khả năng hỗ trợ tốt hơn cho các giao thức và
ứng dụng trên Internet nên chuẩn ALE 3G được đưa ra nhằm đáp
ứng yêu cầu đó.
Vì vậy tôi chọn đề tài “ Nghiên cứu ứng dụng ALE 3G trong
thông tin sóng ngắn”. Nội dung luận văn gồm 3 chương; Chương 1
trình bày về phương thức truyền sóng ngắn qua tầng điện ly gồm các
ảnh hưởng của tầng điện ly trong truyền sóng ngắn, nhiễu vô tuyến,
tổn hao khi truyền sóng qua tầng điện ly, độ tin cậy của đường truyền
tin; Chương 2 trình bày về ALE trong hệ thống thông tin sóng ngắn
bao gồm các giao thức ALE 2G và ALE 3G; Chương 3 trình bày về
ứng dụng của ALE 3G trong thông tin vô tuyến điện sóng ngắn.
2
Chương1 - PHƯƠNG THỨC TRUYỀN SÓNG NGẮN QUA
TẦNG ĐIỆN LY
1.1. Đặc điểm, cấu trúc và các tham số của tầng điện ly
1.1.1. Đặc điểm và cấu trúc của tầng điện ly
Tầng điện ly là tầng nằm trên cùng của khí quyển với độ cao từ
(60  500) Km có vai quan trọng trong các hệ thống thông tin vô
tuyến điện.
Bằng nhiều phương pháp thực nghiệm, như dùng tín hiệu vô
tuyến phát thẳng đứng lên tầng điện ly rồi thu tín hiệu phản xạ về để
phân tích, người ta đã phân chia tầng điện ly thành bốn lớp cơ bản là:
D, E, F1 và F2.
Lớp D: Là lớp ion hóa thấp nhất của tầng điện ly, nằm ở độ
cao từ (50100)km. Lớp D ít có tác động đối với phản xạ sóng vô
tuyến mà chỉ có tác động hấp thụ là chủ yếu
Lớp E: Lớp E là lớp ở giữa của tầng điện ly, nằm ở độ cao từ
(100140) km. Lớp này có thể phản xạ các sóng vô tuyến điện có tần
số dưới 10 MHz. Các sóng có tần số cao hơn, lớp này sẽ hấp thụ
năng lượng. Chiều cao của lớp E phụ thuộc vào ngày và đêm.
Lớp F: Là lớp nằm ở độ cao từ (140500) km so với mặt đất.
Lớp F có vai trò đặc biệt quan trọng trong thông tin vô tuyến điện
sóng ngắn. Đối với những ngày bình thường ban ngày lớp này tách
thành hai lớp, lớp F1 có độ cao khoảng (140200) km và lớp F2 có độ
cao (200300) km. Lớp F có tác dụng phản xạ tín hiệu vô tuyến điện
sóng ngắn [1].
1.1.2. Các tham số cơ bản của tầng điện ly
Tầng điện ly được đặc trưng bởi hai tham số cơ bản:
Độ điện thẩm tương đối của tầng điện ly và độ điện dẫn của
tầng điện ly.
3
1.2. Bản đồ dự báo tần số phản xạ cực đại của tầng điện ly
Khi liên lạc bằng sóng ngắn có thể tận dụng sự phản xạ sóng từ
tầng điện ly để thực hiện liên lạc ở cự ly xa có thể tới hàng ngàn
kilômét. Chiều dài hoặc một khoảng cách một bước nhảy của sóng
phản xạ từ lớp F2 đạt tối đa là 4000km.
Có nhiều loại bản đồ dự báo tần số phản xạ cực đại của tầng
điện ly, nhưng thông dụng nhất là bản đồ MUF-0 và MUF-4000.
MUF-4000 là tần số phản xạ cực đại ứng với bước nhảy cực đại
4000km, tương ứng với góc tiếp tuyến với quả đất.
1.3. Tổn hao khi truyền sóng phản xạ từ tầng điện ly
Một trong những ảnh hưởng của tầng điện ly tới quá trình
truyền sóng là sự hấp thụ sóng điện từ làm suy giảm tín hiệu tới máy
thu.
1.4. Độ tin cậy của đường truyền tin
Đối với một kênh thông tin thì độ tin cậy là một tham số rất
quan trọng. Trong hệ thống thông tin sóng ngắn, độ tin cậy của đường
thông tin được đánh giá bằng xác suất đảm bảo liên lạc thông suốt
trong từng khoảng thời gian.
Độ tin cậy của đường thông tin phụ thuộc vào tỷ lệ tín/ tạp ( ký
hiệu SNR) tại đầu vào máy thu.
1.5. Truyền tin sóng ngắn qua tầng điện ly
1.5.1. Đặc điểm
Sóng ngắn có thể truyền lan theo phương thức truyền lan sóng
đất và phản xạ từ tầng điện ly. Khi truyền bằng phương thức sóng
đất, do bị hấp thụ lớn trong mặt đất bán dẫn điện, nên cự ly bị hạn
chế. Khi truyền lan bằng cách phản xạ từ tầng điện ly, sự hấp thụ của
tầng điện ly với sóng ngắn không đáng kể có thể phản xạ ở các lớp F1
và F2 .
1.5.2. Điều kiện để đảm bảo liên lạc của thông tin sóng ngắn
4
Tần số (MHz)
Điều kiện đảm bảo để có thể thực hiện thông tin sóng ngắn
phản xạ từ tầng điện ly là:
1/ Tần số liên lạc f phải nhỏ hơn tần số cực đại fMUF.
2/ Tần số liên lạc phải đảm bảo đủ lớn là f > fLUF cùng với
công suất phát cần thiết để bù trừ cho sự tổn hao của sóng trong lớp
D và E .
Để tính toán chính xác tần số công tác trong một ngày cần phải
tra trên bản đồ tầng điện ly hoặc dùng phần mềm máy tính.
Thời gian trong ngày (giờ địa
phương)
Hình
1.10. Phân bố các tần số trong ngày
1.5.3. Hiện tượng pha đinh và cách khắc phục
Trong truyền sóng ngắn ngoài hiện tượng pha đinh do sự giao
thoa sóng của các tia sóng đến bằng các con đường khác nhau như đã
phân tích trên còn xuất hiện pha đinh do phân cực.
1.5.4. Ảnh hưởng của chu kỳ bức xạ mặt trời đến truyền lan sóng
ngắn
Các quan sát về thiên văn học đó kết luận rằng, hoạt tính bức
xạ của mặt trời thay đổi có tính chu kỳ. Sự biến thiên của hoạt tính
mặt trời mang tính chu kỳ đó phù hợp với sự biến đổi về số lượng và
diện tích các vệt đen (Sunspot) cũng như các đốm sáng của mặt trời.
Khi hoạt tính bức xạ của mặt trời tăng thì mật độ điện tử của
tất cả các lớp ion hóa trong tầng khí quyển cũng sẽ tăng.
1.5.5. Ảnh hưởng của nhiễu loạn điện từ đến truyền lan sóng ngắn
5
Có bốn dạng nhiễu loạn điện từ chính ảnh hưởng đến truyền
lan sóng ngắn, đó là: nhiễu loạn điện ly do bão từ toàn cầu, hấp thụ
trong vùng quang cực, hấp thụ ở vùng chỏm cực và các hấp thụ đột
ngột.
1.6. Kết luận chương
Như vậy chương 1 đi giới thiệu cơ bản phương thức truyền lan
sóng vô tuyến, các yếu tố nhiễu ảnh hưởng đến máy thu, giới thiệu
chi tiết cấu trúc tầng điện ly, đặc điểm phản xạ của các lớp từ lớp D
đến lớp F2, giới thiệu về các bản đồ và phương pháp tính tần số cực
đại, tần số cực tiểu, và suy hao khi truyền tin qua tầng điện ly, và đặc
biệt chương 1 trình bày rất chi tiết về các phương thức truyền sóng
ngắn qua tầng điện ly đây là cơ sở rất quan trọng trong việc tính toán
các dải tần làm việc tối ưu cho thông tin sóng ngắn.
Chương 2. ALE TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN SÓNG
NGẮN
2.1. Tổng quan ALE
2.1.1. Lịch sử hình thành ALE
Hệ thống ALE đầu tiên được phát triển vào cuối thập niên
1970 và đầu những năm 1980 bởi một số nhà sản xuất vô tuyến. Các
dòng ALE đầu tiên thường không tương thích giữa các nhà cung cấp
.Sau đó, một nỗ lực hợp tác giữa các nhà sản xuất và chính phủ Mỹ
dẫn đến một thế hệ thứ hai của ALE bao gồm các tính năng của hệ
thống thế hệ đầu tiên. Hệ thống tiêu chuẩn thế hệ thứ hai ALE 2G
vào năm 1986, MIL-STD- 188 - 141A, đã được thông qua cho các
bang của Mỹ. Trong cuối những năm 1990, một thế hệ thứ ba ALE
3G với cải thiện đáng kể khả năng và hiệu suất đã được giới thiệu
trong MIL-STD- 188 - 141B, và trong NATO STANAG 4538.
2.1.2. Hoạt động của ALE
ALE là một chuẩn thông tin trên thế giới thực hiện để khởi tạo
và tiến hành thông tin vô tuyến HF ở dạng số. ALE là một đặc trưng
6
của một hệ thống thu phát vô tuyến điện HF, nó cho phép các trạm
vô tuyến thực hiện kết nối, khởi tạo một mạng thông tin giữa bản
thân trạm thu phát HF với các trạm thu phát HF khác, hoặc với một
mạng vô tuyến HF. Mục đích là để cung cấp một phương pháp gọi và
kết nối nhanh, tin cậy trong điều kiện biến đổi liên tục của tầng điện
ly, nhiễu vô tuyến, và việc dùng chung phổ tần trên các kênh HF.
Một máy vô tuyến ALE độc lập là sự kết hợp giữa một máy
thu phát HF đơn biên với một bộ điều khiển bên trong và một
modem MFSK. Nó được lập trình với một địa chỉ ALE duy nhất,
giống như một số điện thoại (trong thế hệ mới hơn là tên người
dùng).
Để kết nối với một trạm xác định, máy gọi sẽ nhập vào địa chỉ
ALE. Trên rất nhiều máy ALE, thao tác này giống như ấn một số
điện thoại. Bộ điều khiển ALE sẽ chọn kênh truyền rỗi có chất lượng
tốt cho kết nối này. Sau khi xác nhận kênh truyền rỗi thực sự, nó sẽ
gửi một tín hiệu lựa chọn cuộc gọi để xác định đến máy nhận. Trong
khi đó, trạm thu sẽ thu quét trên bảng danh sách kênh ALE, nó chỉ
dừng quét và ở tại một kênh khi xác nhận có cuộc gọi cho nó. Bộ
điều khiển ALE của cả hai trạm tự động bắt tay để xác nhận một kết
nối với chất lượng kênh đảm bảo đã được thiết lập.
Sau khi kết nối thành công, các trạm thu thường phát ra một
âm thanh báo động và hiển thị một thông báo trực quan để các nhà
điều hành nhận biết được, do đó xác định các cuộc gọi đến. Nó cũng
chỉ ra tên hiệu hoặc thông tin nhận dạng khác của trạm được kết nối,
tương tự như ID gọi. Các nhà điều hành sau đó thương lượng một
liên kết dữ liệu bằng cách sử dụng giọng nói hoặc định dạng tin nhắn
văn bản ngắn.
7
2.1.3. Các tham số ALE
Bộ nhớ kênh: Thiết bị có khả năng lưu trữ ít nhất 100 kênh
khác nhau bao gồm tần số thu và phát cùng với các chế độ thông tin
liên quan xem thông tin về kênh trong chế độ bình thường gồm:
+ Công suất phát
+ Sử dụng lưu lượng hoặc kênh ( tiếng nói, dữ liệu)
+ Dò dữ liệu
+ Dạng điều chế ( kết hợp với tần số )
+ Chế độ thu/phát
+ Độ rộng bộ lọc
+ Cài đặt điều khiển khuếch đại tự động ( AGC )
2.2. ALE 2G
2.2.1. Giới thiệu ALE 2G
Hiện nay các thiết bị vô tuyến thường được thiết kế dựa trên 2
chuẩn chủ yếu là MIL-STD 188-141A của quân đội Mỹ và FED1045 của Nato.
Tầng kết nối dữ liệu ALE chia làm 3 tầng con như ở hình 2.1,
trong đó tầng thấp nhất sửa lỗi đường truyền sử dụng mã Golay để
mã hóa 24 bít từ ALE thành 48 bít, tầng tiếp theo là tầng bảo vệ
đường truyền, và cuối cùng tầng giao thức. Nhìn chung với nhiều
thiết bị vô tuyến hiện nay người ta thiết kế theo nguyên tắc này
nhưng cũng có nhiều thiết bị sẽ thiết kế lược bớt đi một số phần nhỏ
bên trong.
2.2.2. Dạng sóng dùng trong ALE 2G
Dạng sóng của tín hiệu 2G được thiết kế để phù hợp với chuẩn
tín hiệu thoại băng hẹp SSB 3 kHz, phương pháp điều chế 8 FSK và
đôi khi cũng có thể gọi là MFSK với 8 tone trực giao từ 750 Hz đến
2500 Hz. Mỗi tone có độ dài 8 ms, kết quả được truyền qua không
khí với tốc độ biểu tượng là 125 biểu tượng/giây, tương ứng với tốc
độ dữ liệu thô là 375 bit/s.
8
Dữ liệu ALE được định dạng vào các khung 24 bít trong đó có
3 bít mào đầu và 3 ký tự ASCII, mỗi ký tự có 7 bít.
Đầu thu giải mã tín hiệu bằng kỹ thuật xử lý số tín hiệu và có
thể giải mã bằng tín hiệu 8 FSK ở tỷ lệ tín hiệu cực âm với nhiễu, có
nghĩa là nó có thể tách tín hiệu ra khi nhiễu ở mức thấp.
2.2.3. Mã sửa lỗi đường truyền FEC
ALE 2G sử dụng mã sửa lỗi đường truyền Golay (24, 12, 3),
mã FEC được tạo từ đa thức g(x) = x11 + x9 + x7 + x6 + x5 + x + 1
(2.1).
2.2.4. Xáo trộn và giải xáo trộn
Các bít từ cơ bản W1 ( bít có trọng số cao nhất) đên W24 ( bít
trọng số thấp nhất) và tổng hợp các bít FEC Golay G1 đến G24 ( với
G13 đến G24 được đảo vị trí ) sẽ được xáo trộn tạo thành 48 bít
trước khi truyền sau đó cộng thêm bít chèn thành 49 bít, ( giá trị =0 )
sẽ cấu thành nên từ được truyền và chúng sẽ được truyền
A1,B1,A2,B2,…, A24, B24, S49
2.2.5. Cấu trúc từ mã ALE
Từ ALE cơ bản sẽ chứa 24 bít thông tin, được chỉ rõ W1 (
MSB ) đến W24 ( LSB ). Các bít sẽ được thiết kế như được chỉ ra ở
hình 2.7.
Hình 2.7. Cấu trúc từ ALE cơ bản
[3]
9
Từ ALE sẽ được chia làm 2 phần gồm 3 bít mào đầu và 21 bít
trường dữ liệu ( 3 ký tự 7 bít ).
Tổ hợp của 3 bít mào đầu sẽ thực hiện một trong 8 chức năng
sau: TO, TIS, TWAS, THRU, FROM, CMD, DATA, REP.
2.2.6. Đánh địa chỉ
Cấu trúc địa chỉ của một trạm ALE dựa trên tiêu chuẩn 24 bít (
3 ký tự ) được lấy từ tập hợp 38 ký tự cơ bản trong bảng ASCII ( số
từ 0 ÷ 9, ký tự từ A ÷ Z và ký tự @, ? dùng cho chức năng đặc biệt).
Tất cả các trạm ALE có khả năng lưu trữ ít nhất 20 địa chỉ, mỗi địa
chỉ lên đến 15 ký tự. Dưới đây là bảng 38 ký tự ASCII dùng trong
mã hóa cho địa chỉ ALE.
2.3. ALE 3G
2.3.1. Tổng quan ALE 3G
ALE là tính năng tiên tiến của các thiết bị vô tuyến điện sóng
ngắn, trong đó thiết bị tự động dò tìm tần số tốt nhất để thiết lập liên
lạc. Thế hệ mới nhất ALE 3G có rất nhiều ưu điểm vượt trội như:
Thiết lập nhanh, tin cậy ngay cả khi tín hiệu tương đối xấu
Phát huy tối đa hiệu quả kênh truyền
Sử dụng cùng một kiểu điều chế băng cơ sở cho cả giai đoạn
dò tìm đường truyền và giai đoạn truyền dữ liệu
Cho phép truyền dữ liệu với thông lượng lớn hơn
Hỗ trợ tốt hơn cho các dịch vụ trên nền IP và Internet
Để đạt được các ưu điểm trên, ALE 3G sử dụng hàng loạt các
kỹ thuật tiên tiến như:
Sử dụng phương pháp điều chế khóa dịch pha PSK kết hợp với
mã sửa sai và phát lặp nhiều lần để tạo tín hiệu băng cơ sở
Tín hiệu được phát đi theo loạt thay vì truyền liên tục như các
thế hệ trước
Chế độ quét đồng bộ giữa tất cả các trạm cho phép giảm thời
gian thiết lập đường truyền
10
Chia các trạm thành nhiều nhóm, các nhóm quét ở các tần số
khác nhau để giảm xung đột tần số.
Sử dụng phương pháp đa truy cập phân chia theo thời gian có
cảm nhận sóng mang để tránh xung đột kênh truyền.
2.3.2. Kiến trúc cơ bản của ALE 3G
Hệ thống ALE 3G có thể hoạt động ở trong 3 chế độ đồng bộ
qua GPS, đồng bộ qua đồng hồ nội bên trong máy và bên cạnh đó nó
còn có thể hoạt động ở chế độ bất đồng bộ để kết nối với các hệ
thống ALE 2G khác.
Đánh địa chỉ trong ALE 3G:
Hệ thống 3G sử dụng 11 bít địa chỉ nhị phân. Những địa này
được chuyển đổi từ địa chỉ ALE 2G sang ( địa chỉ lên tới 15 ký tự
ASCII trong bảng 38 ký tự như đã trình bày ở phần ALE 2G ) để sử
dụng.
Phương pháp điều chế băng cơ sở: ALE 3G sử dụng cùng
một phương pháp điều chế băng cơ sở thống nhất cho cả giai đoạn dò
tìm, thiết lập đường truyền và giai đoạn truyền dữ liệu khi đường
truyền đã thiết lập xong. Dữ liệu số sau khi được thêm mã sửa sai và
lặp với tỷ lệ khác nhau sẽ được điều chế khóa dịch pha 8 mức (8PSK) với tần số sóng mang 1800 Hz và tốc độ ký hiệu 2400 biểu
tượng/giây tạo ra tín hiệu băng cơ sở. Các dịch vụ yêu cầu độ chính
xác cao hơn và có tốc độ dữ liệu thấp hơn sẽ có tỷ lệ mã sửa sai và tỷ
lệ lặp cao hơn và ngược lại. ALE 3G cung cấp 5 loại sóng BW0 ÷
BW4 cho các loại dịch vụ khác nhau.
Các loại mã sửa lỗi ứng dụng trong ALE 3G: ALE 3G sử
dụng mã sửa lỗi là mã xoắn với tỷ lệ khác nhau cho phép cân bằng
giữa tỷ lệ bit lỗi sửa được và tỷ lệ dữ liệu.
Quá trình phát tín hiệu của ALE 3G: Trong ALE 3G, tín hiệu
được phát đi theo loạt với cấu trúc cho trước và độ dài khác nhau.
Mỗi loạt thường gồm 3 giai đoạn:
11
Khởi động
Mào đầu
Dữ liệu
Tkđ
Tmđ
Tdl
Hình 2.13. Lược đồ thời gian tín hiệu trong ALE 3G
Đầu tiên là giai đoạn khởi động. Giai đoạn này nhằm đảm bảo
cho bên phát ổn định bộ khuyếch đại công suất (ALC) và bên thu ổn
định bộ khuyếch đại đầu vào (AGC).
Giai đoạn thứ hai là giai đoạn mào đầu. Giai đoạn này truyền
đi các dữ liệu mào đầu để bên thu nhận dạng được loạt tín hiệu và
các thông tin phụ trợ về máy phát, máy thu, kiểu dữ liệu.
Giai đoạn thứ ba là giai đoạn truyền dữ liệu. Thông thường dữ
liệu bao gồm 2 thành phần: dữ liệu thực và dữ liệu định trước. Thành
phần dữ liệu thực là dữ liệu cần truyền đi sau khi mã hóa sửa sai và
lặp lại. Thành phần dữ liệu định trước là dữ liệu cố định cho trước,
thường phục vụ cho mục đích đánh giá tỷ lệ lỗi bit.
Đa truy cập phân chia theo thời gian có cảm nhận sóng
mang: Khi cần thiết lập cuộc gọi, quãng thời gian 4 s ứng với mỗi
kênh sẽ được chia thành 5 khe thời gian, mỗi khe có độ dài 800 ms.
4s
800 ms
800 ms
800 ms
800 ms
800 ms
Khe 0
Nghe
Khe 1
Hỏi
Khe 2
Đáp
Khe 3
Hỏi
Khe 4
Đáp
Khe 0
Hình 2.14. Phân chia các khe thời gian
Quá trình liên lạc trong ALE 3G: Trong ALE 3G, giữa máy
thu và máy phát liên lạc chặt chẽ với nhau trong suốt quá trình trao
đổi dữ liệu. Tín hiệu được phát đi theo loạt với cấu trúc và thời gian
định trước. Giữa máy thu và máy phát nắm rõ tình hình phiên liên lạc
thông qua cơ chế hỏi đáp.
12
Hỏi ALE
Hỏi truyền DL
Đáp ALE
Bắt đầu trao
Đáp truyền DL đổi dữ liệu
Quá trình truyền dữ liệu:
Truyền 1
khung
Truyền 1
khung
Xác nhận
Xác nhận
Quá trình
tiếp tục
Kết thúc quá trình liên lạc:
Kết thúc
Kết thúc
Kết thúc
Kết thúc quá
trình liên lạc
Truyền dữ liệu lỗi, bên thu không xác nhận:
Truyền 1
khung
Kết thúc
Truyền lại
Không xác nhận
Không xác nhận
Kết thúc
Kết thúc
Thiết lập kênh khác
để truyền tiếp
Truyền dữ liệu lỗi, bên phát truyền lỗi:
Truyền lỗi
Truyền lỗi
Yêu cầu truyền
lại
Kết thúc
Quay về chế
độ quét
Hình 2.15. Quá trình liên lạc trong ALE 3G
2.3.3. Các dạng sóng được sử dụng trong ALE 3G
2.3.3.1. Các dịch vụ cơ bản
Gồm các dịch vụ của các sóng như là: BW0_Send,
BW0_Receive, BW0_Pre_Detect, BW1_Send, BW1_Receive,
13
BW1_Pre_Detect,
BW2_Send,
BW2_Receive,
BW3_Send,
BW3_Receive, BW4_Send, BW4_Receive.
2.3.3.2. Điều chế dạng sóng cụm
Từ các bit giao thức ánh xạ thành các giá trị ba bít, phần này
miêu tả cách các giá trị ba bít này được sử dụng để tạo tín hiệu
truyền đi.
Tín hiệu truyền đi bao gồm sóng mang đơn âm 1800 Hz được
điều chế 8 PSK ở tốc độ không đổi 2400 biểu tượng/giây. Sự dịch
pha tín hiệu liên quan đến sóng mang không điều chế này là một hàm
của các giá trị ba bít, được đưa ra trong ánh xạ giá trị ba bít
Hình 2.14. Điều chế sóng mang
2.3.4. Sóng BW0
BW0 được sử dụng để truyền tải tất cả các PDU 3G-ALE (
quản lý kết nối CM). Hình 2.15 trình bày cấu trúc đặc tính thời gian
của dạng sóng BW0.
TBW0_tx
TLC
Mào đầu
Dữ liệu
Ttl
Tpre
Tdata
Ttlc = 106,667 ms: 256 biểu tượng ở tốc độ 2400 biểu tượng / giây
Tpre = 160,0 ms: 384 biểu tượng ở tốc độ 2400 biểu tượng / giây
Tdata = 346,667 ms: 832 biểu tượng ở tốc độ 2400 biểu tượng / giây
TBW0_tx = Tổng thời gian = 613,334 ms
Hình 2.15. Lược đồ thời gian BW0 [3]
14
2.3.4.1. Chuỗi bảo vệ TLC/AGC
Thành phần chuỗi bảo vệ TLC/AGC của dạng sóng BW0 tạo
ra cả 2 quá trình TLC cho máy phát và AGC cho máy thu để đạt tới
trạng thái ổn định trước khi mào đầu BW0 xuất hiện tại đầu vào
tương ứng của chúng.
2.3.4.2. Mào đầu thăm dò
Mào đầu thăm dò BW0 giúp máy thu phát hiện sự hiện diện
của dạng sóng và ước lượng các thông số khác nhau sử dụng cho giải
điều chế dữ liệu. Thành phần mào đầu của BW0 là chuỗi 384 biểu
tượng ba bít .
2.3.4.3. Sửa lỗi kênh truyền ( FEC)
Sóng BW0 mang tải có 26 bit giao thức. 26 bit giao thức này
được mã hóa theo mã xoắn tạo ra 52 bit sau mã hóa, theo cách mã
hóa gọi là “tail-biting” (cắn đuôi):
Đa thức sử dụng là :
B0=x6+x4+x3+x+1 (2.5)
B1=x6+x5+x4+x3+1 (2.6)
Hình 2.16. Mã xoắn độ dài 7, tốc độ 1/2
2.3.4.4. Cấu tạo các biểu tượng trực giao
Quá trình xáo trộn ra (fetch) sẽ loại bỏ 4 bit cùng lúc từ ma
trận xáo trộn. Từ 4 bít này sẽ ánh xạ và lặp lại để tạo ra 832 giá trị ba
bít thô.
15
2.3.4.5. Tạo và ứng dụng chuỗi trải tạp giả ngẫu nhiên
Phần này miêu tả phương pháp tạo ra chuỗi 832 giá trị ba bít
giả ngẫu nhiên.
2.3.5. Dạng sóng cụm BW1
BW1 được dùng để truyền tất cả TM PDU và các PDU
HDL_ACK của giao thức HDL.
Cấu trúc BW1 chia làm 3 phần:
Chuỗi bảo vệ TLC/AGC là 1 chuỗi gồm 256 biểu tượng giả
ngẫu nhiên,
Mào đầu BW1 để máy thu có thể phát hiện có dạng sóng BW1
và ước lượng các thông số khác nhau sử dụng cho giải điều chế dữ
liệu. Thành phần mào đầu của BW1 là một chuỗi gồm 576 biểu
tượng ba bít.
Từ 48 bít dữ liệu sau khi mã hóa, xáo trộn, lặp lại thành 2304
biểu trượng ba bít trực giao.
2.3.6. Dạng sóng cụm BW2
BW2 dùng để truyền 1 chuỗi gói dữ liệu từ trạm phát tới trạm
thu, gói dữ liệu này có độ dài cố định là 1913 bít dữ liệu.
2.3.7. Dạng sóng cụm BW3
BW3 được dùng để truyền dữ liệu lưu lượng bởi giao thức
LDL. Nó dùng truyền một gói dữ liệu đơn từ trạm phát tới trạm thu,
với gói dữ liệu là chuỗi có độ dài cố định là 537, 1049, 2073, 4121
bít.
2.3.8. Dạng sóng cụm BW4
BW4 được dùng để mang LDL_ACK PDU của giao thức
LDL. Một giá trình người dùng (giao thức LDL) tạo ra BW4 bằng
cách phát BW4_Send có thông số tải có 2 bít.
Chuỗi biểu tượng kênh bao gồm: 256 biểu tượng ba bít chuỗi
bảo vệ (không có trải PN), sau đó là 1280 biểu tượng kênh BW4 có
16
trải PN, được điều chế ở tần số sóng mang 1800 Hz tốc độ 2400 biểu
tượng kênh/giây.
2.4. Phân tích đánh giá và so sánh giữa ALE 2G và ALE 3G [11]
Theo kết quả nghiên cứu và đánh giá của tập đoàn Harris
nước Mỹ ALE 3G có một số ưu điểm vượt trội hơn so với ALE 2G
như sau:
Đặc trưng
ALE 2G
ALE 3G
Thời gian kết nối
15,3 s
8,4 s
Khả năng kết nối
0 dB ( Độ rộng băng
-8 dB ( Độ rộng băng
thông 3kHz)
thông 3kHz)
8 FSK - 125 biểu
8 PSK – 2400 biểu
tượng / giây
tượng/ giây
Chế độ bất đồng bộ
Chế độ đồng bộ và
Dạng sóng
Các chế độ hoạt
động chính
chế độ bất đồng bộ
2.5. Kết luận chương
Trong chương này đã trình bày khá chi tiết về lịch sử phát triển
của các thế hệ ALE, từ thế hệ ALE đầu tiên cho đến thế hệ ALE thứ
3. Trong chương chủ yếu trình bày về nội dung của 2 thế hệ ALE là
ALE 2G và ALE 3G.
17
Trong ALE 2G giới thiệu chi tiết các kỹ thuật sử dụng trong
ALE 2G như là mã sữa lỗi đường truyền, cấu trúc từ ALE, kỹ thuật
xáo trộn và phương pháp đánh địa chỉ trong ALE 2G…
Trong phần ALE 3G đi giới thiệu tổng quan về ALE 3G,
phương pháp đánh địa chỉ trong ALE 3G, cách thiết lập một kết nối,
các chế độ quét trong ALE 3G và đi giới thiệu về các dạng sóng
được sử dụng trong ALE 3G ( BW0 ÷ BW4 ) trong đó giới thiệu chi
tiết về dạng sóng BW0.
Chương 3: ỨNG DỤNG ALE 3G TRONG THÔNG TIN VÔ
TUYẾN ĐIỆN SÓNG NGẮN
3.1. Tổng quan
Ngày nay với sự tiến bộ trong cơ sở hạ tầng thông tin liên lạc,
sự phát triển mạnh mẽ của mạng Internet, sự cần thiết phải tương tác
của nhiều thiết bị trong hệ thống với nhau. Những thiết bị vô tuyến
điện HF cũng muốn tận dụng nguồn tài nguyên này để mở rộng cơ sở
hạ tầng thông tin cho các cộng đồng người dùng mới, chúng ta cần
phải đảm bảo rằng công nghệ HF tương thích với các kiến trúc trong
Internet. Bắt đầu với các đặc tính của hệ thống HF, một trong những
khía cạnh quan trọng của môi trường HF phân biệt nó với phương
tiện truyền thông Internet phổ biến là truyền rất khác nhau do ảnh
hưởng: hiệu ứng đa đường, fading, sự thay đổi theo giờ của thời gian,
nhiễu loạn tầng điện ly và hoạt động vết đen mặt trời theo ngày.
Sự độc đáo của công nghệ HF chủ yếu là kết quả giải quyết các
vấn đề này.
Đối với một thiết bị vô tuyến điện tốc độ dữ liệu có thể đạt
được trên đường truyền thấp hơn đáng kể so với tốc độ truyền trên
Internet điều này phải đặt ra một số giới hạn về chức năng để HF liên
kết với Internet thực hiện hiệu quả hơn. Các máy HF tốc độ dữ liệu
hiện nay chỉ đạt được 1200 bps, mặc dù các modem có thể lên đến
9600 bps điều này sẽ nảy sinh ra vấn đề về sự ùn tắc và hiệu suất
18
kênh truyền, gây ra cho người sử dụng các ứng dụng đa phương tiện
thất vọng với tốc độ của HF khi kết nối với Internet. Để cải thiện
được tốc độ của HF kết nối với Internet có một số phương pháp sau:
• Tăng phân bổ phổ HF mỗi liên kết
• Nâng cao hiệu quả dữ liệu của modem ( trong bít / Hz).
• Tăng nội dung thông tin ( giảm sự dư thừa ) trong luồng bít
modem.
Hình 3.1 Giao diện HF tới Internet [7]
3.2. Các ứng dụng hỗ trợ Internet
3.2.1. Hỗ trợ cho những ứng dụng Internet
Khi một mạng con HF được liên kết với một mạng con khác sử
dụng bộ giao thức IP, các ứng dụng Internet có thể sử dụng mô tả
trong hình 3.2. Đối với những ứng dụng Internet, ALE 3G (chỉ ra ở
hình 3.2) sẽ cung cấp hiệu suất cao hơn so với ALE 2G.
3.2.2. Những yêu cầu cụ thể khi chuyển thư điện tử qua HF
Phần này trình bày một số giao thức chuyển thư điện tử như HMTP,
SMTP.
3.3. Hệ thống HF Cenluler
3.3.1. Mạng thông tin vô tuyến điện sóng ngắn theo mô hình mạng
tổ ong
Mạng vô tuyến điện sóng ngắn theo mô hình tổ ong cơ bản
cũng giống như mạng điện thoại di động (còn gọi là mạng điện thoại
19
tổ ong), bao gồm các đối tượng thông tin di động (các điện đài vô
tuyến điện HF) và các trạm cố định (trạm vô tuyến điện HF với công
suất lớn). Các điện đài di động và các trạm cố định được kết nối với
nhau thành một mạng lưới rộng lớn, trong đó mỗi đối tượng đều
được định danh (tương tự như số thuê bao di động). Khi người sử
dụng cần thực hiện một cuộc gọi, thay vì đặt tần số một cách thủ
công như truyền thống, người sử dụng chỉ việc gọi định danh của
điện đài cần gọi và quá trình còn lại từ việc chọn tần số, tổ chức và
duy trì liên lạc được tiến hành một cách tự động thông qua trung tâm
điều hành tập trung (tương tự như tổng đài trong mạng điện thoại di
động). Quá trình liên lạc giữa các điện đài với các trạm cố định được
thực hiện thông qua kênh vô tuyến sóng ngắn, còn giữa các trạm cố
định với nhau thường thông qua đường thông tin hữu tuyến như cáp
quang, mạng WAN, mạng Internet, v.v. theo giao thức truyền thông
IP.
3.3.2. Các kỹ thuật và công nghệ nền
Hệ thống sử dụng các công nghệ tiên tiến như ALE 3G, vô
tuyến điện IP và kỹ thuật điều hành tập trung.
Công nghệ ALE 3G là công nghệ mới cho phép thiết lập và
duy trì đường truyền một cách tự động với hiệu quả và độ tin cậy
cao.
Trong mạng thông tin sóng ngắn theo mô hình tổ ong, công
nghệ ALE 3G được phát triển thêm một bậc. Các thiết bị không liên
lạc trực tiếp với nhau như trước mà sẽ liên lạc thông qua các trạm cố
định. Khi ở chế độ chờ, các điện đài di động sẽ thu thông tin phát ra
từ các trạm cố định và đánh giá chất lượng đường truyền từ các trạm
cố định này. Tương tự, các trạm cố định cũng tiến hành thu thập và
đánh giá chất lượng đường truyền từ các điện đài di động. Thông tin
này liên tục được cập nhật vào cơ sở dữ liệu và gửi về trung tâm điều
hành tập trung. Khi hai điện đài cần liên lạc với nhau, các trạm cố
20
định và các tần số cho chất lượng đường truyền tốt nhất được chọn
đầu tiên để liên lạc. Nếu không liên lạc được, hệ thống xét tiếp trạm
cố định và tần số cho chất lượng đường truyền tốt thứ hai, và cứ thế
cho đến khi thiết lập được phiên liên lạc.
Các thao tác thiết lập đường truyền, duy trì phiên liên lạc được
thực hiện thông qua trung tâm điều hành tập trung sử dụng kỹ thuật
điều hành tập trung. Trung tâm điều hành sẽ nhận thông tin về chất
lượng đường truyền từ các điện đài di động và các trạm cố định,
quản lý tình trạng của các điện đài, các trạm cố định và các tần số.
Hình 3.5. Quá trình liên lạc
Trong hệ thống thông tin theo mô hình tổ ong, dữ liệu truyền
giữa các trạm cố định cũng được tổ chức theo giao thức IP nhằm tận
dụng ưu thế của chuẩn giao thức này và đơn giản hóa việc thiết kế hệ
thống. Đồng thời, tận dụng được nền phần cứng hiện có như mạng
WAN, mạng Internet... và đa dạng hóa các loại kênh truyền giữa các
trạm cố định, từ đó nâng cao khả năng liên lạc.
3.3.3. Các tính năng và chỉ tiêu chính
Hệ thống thông tin sóng ngắn theo mô hình mạng tổ ong có rất
nhiều tính năng nổi trội như:
Tự động thiết lập chất lượng đường truyền tốt nhất, bao gồm
việc chọn trạm cố định, tần số và duy trì liên lạc.
Mở rộng phạm vi liên lạc, tầm phủ sóng do kết hợp của nhiều
nhóm, nhiều mạng liên lạc khác nhau.
21
Cho phép báo bận và báo cuộc gọi nhỡ.
Tận dụng tối đa hiệu quả băng tần.
Nâng cao chất lượng liên lạc, cho phép trao đổi thông tin với
tốc độ cao hơn, ổn định và tin cậy hơn.
Cho phép hiện thực nhiều chế độ liên lạc: thoại số, thoại mật,
truyền số liệu, v.v.
Trang bị sẵn các chuẩn vô tuyến điện IP.
Cho phép lưu lại lịch sử cuộc gọi.
Dễ dàng khai thác, sử dụng cho cả người ít kinh nghiệm.
Cho phép kết hợp với nhiều mạng liên lạc khác như mạng điện
thoại, mạng Internet, VOIP.
Cho phép điều hành hệ thống tập trung, thống nhất.
3.4. Một số kết quả đánh giá trong chế độ truyền đa hướng
Đối với kết nối dữ liệu đa hướng đầu tiên phải tính toán thời
gian được yêu cầu cho cài đặt kết nối và nhận của báo nhận tầng ứng
dụng. Dưới đây chúng ta sẽ sử dụng các số liệu thống kê để tính toán
cho lưu lượng truyền đa hướng.
3.4.1. Các tham số đánh giá
Thời gian để gửi một tin nhắn đa hướng ( Tcycle): Thời gian
được tính từ lức bắt đầu thiết lập kết nối đến khi tất cả các người
nhận gửi tin báo nhận.
Thời gian báo nhận cho từng người nhận:
Tack = Tack-success + (
1
Psuccess
 1 )* Tfail ( 3.1 )
Trong đó Tack-success là thời gian báo nhận thành công; Psuccess
xác suất báo nhận thành công; Tfail thời gian báo nhận lỗi.
Thời gian báo nhận cho N người nhận:
N
TN-ack= N*Tack-success +
(P
j 1
1
success
( j)
 1)T fail
(3.2)
22
Lưu lượng của một chu kỳ: Số lượng bít trung bình dữ liệu
nhận được không lỗi trong suốt chu kỳ chia cho Tcycle .
X=
( frames/ transmission)(bits / frame)(1  FER)
TCycle
(3.3)
Trong đó: FER là tỉ lệ lỗi của các khung, chú ý rằng các khung
mất sẽ được bởi lỗi kênh sẽ được truyền ở chu kỳ sau.
3.4.2. Kết quả phân tích
Hình 3.6. và hình 3.7. chỉ ra kết quả tổng lưu lượng của bốn
chế độ lưu lượng đối với gửi đa hướng với một thông báo ngắn (5000
byte). Số lượng người nhận là 4 ở hình 3.6. và 8 ở hình 3.7, sự cân
bằng giữa lưu lượng và SNR.
Ở hình 3.8 và hình 3.9 chỉ ra lưu lượng đối với tải trọng lớn
100.000 byte, dạng sóng được sử dụng tốt nhất trong trường hợp này
BW2x2 ( khi SNR ở 10 dB hoặc hơn)
Hình 3.7. Thông lượng gửi tin nhắn đa
hướng với N= 4, kích thước file 5000
byte [6]
Hình 3.8. Thông lượng gửi tin nhắn đa
hướng với N= 8, kích thước file 5000
byte [6]
23
Hình 3.9. Thông lượng gửi tin nhắn đa
hướng với N= 4, kích thước file 100.000
byte [6]
Hình 3.10. Thông lượng gửi tin nhắn đa
hướng với N= 8, kích thước file 100.000
byte [6]
3.5. Kết luận
Phương pháp tổ chức mạng thông tin kiểu tổ ong mở rộng
phạm vi liên lạc, và cải thiện chất lượng liên lạc một cách đáng kể.
Hơn nữa, việc khai thác sử dụng cũng đơn giản và nhanh chóng hơn
nhiều, người sử dụng chỉ việc gọi định danh giống như khi gọi điện
thoại, tất cả phần việc còn lại đều được tiến hành tự động. Quá trình
truyền thông tin được chia làm nhiều khâu, do đó khi chất lượng
đường truyền xấu đi, hệ thống khắc phục một cách tối ưu những
khâu yếu. Việc điều hành mạng thông tin thống nhất, tập trung, thuận
tiện cho công tác quản lý, tổ chức.
Tuy nhiên, mô hình này đòi hỏi chi phí để xây dựng mạng lưới
các trạm. Việc vận hành trung tâm điều hành tương đối phức tạp.
Các trạm được xây dựng cố định nên trong điều kiện tác chiến thực,
có thể bị đối phương tấn công hay áp chế. Do đó, nó thích hợp cho
các mục đích dân sự và quân sự cho các nước có hệ thống phòng thủ
vững chắc.
24
KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ
Ngày nay với sự phát triển của khoa học kỹ thuật ngày càng
cao các hệ thống thông tin vô tuyến điện không bó hẹp trong phạm vi
liên lạc giữa các máy sóng ngắn với nhau, mà nó sẽ là hệ thống gồm
rất nhiều các thiết bị truyền dẫn, điện thoại IP, máy vô tuyến điện,
mạng Internet… gắn kết với nhau. Chuẩn ALE 3G cho thiết bị vô
tuyến điện sóng ngắn đã cơ bản đáp ứng được yêu cầu đó.
Qua việc nghiên cứu luận văn tác giả đã đưa ra được cấu trúc
tầng điện ly và các ảnh hưởng của tầng điện ly đến liên lạc bằng
thông tin sóng ngắn.
Luận văn cũng đã tập trung nghiên cứu các tiêu chuẩn thiết lập
đường truyền tự động ( ALE ) như ALE 2G và ALE 3G trong đó nêu
các bước xử lý tín hiệu của ALE 2G và cũng đi giới thiệu các từ
ALE, cấu trúc địa chỉ được dùng trong ALE 2G.
Đối với ALE 3G tác giả đã nghiên cứu khái quát chung về
ALE 3G và các dạng sóng từ BW0 ÷ BW4 được sử dụng trong giao
thức, trong đó đi nghiên cứu sâu về dạng sóng BW0. Bên cạnh đó tác
giả cũng đưa ra một mô hình ứng dụng hiện nay của hệ thống thông
tin vô tuyến điện sóng ngắn sử dụng giao thức ALE 3G.
Hạn chế của luận văn, do hiện nay giao thức ALE 3G đang còn
mới vẫn chưa được áp dụng rộng rãi trong các mạng thông tin vô
tuyến điện sóng ngắn trên thế giới, ở Việt Nam hiện nay vẫn chưa có
thiết bị liên lạc vô tuyến nào được trang bị giao thức này vì vậy việc
nghiên cứu trên các mô hình thực tế còn hạn chế. Tác giả vẫn chưa
đưa ra được mô phỏng về các dạng sóng của chuẩn ALE