Luận văn Thạc sĩ khoa học: Phân tích và thiết kế giàn anten Quasiyagi ứng dụng cho hệ thống ra đa ở dải sóng milimét

Chia sẻ: Vu Son | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:99

Thêm vào BST

Báo xấu

91
lượt xem 7
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận văn nghiên cứu tổng thuật các tài liệu kỹ thuật liên quan đến công nghệ vô tuyến ở dải sóng milimét (≥ 30GHz); tìm hiểu và sử dụng thành thạo công cụ phân tích và thiết kế anten dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn miền tần số; phân tích và thiết kế giàn anten Quasi-Yagi ở tần số 30 GHz cho hệ thống rađa trên các phương tiện cơ giới.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ khoa học: Phân tích và thiết kế giàn anten Quasiyagi ứng dụng cho hệ thống ra đa ở dải sóng milimét

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ________________________ NGUYỄN THỊ MINH THUỶ Phân tích và thiết kế giàn anten quasi- Yagi ứng dụng cho hệ thống ra-đa ở dải sóng milimét LUẬN VĂN THAC SỸ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. ĐÀO NGỌC CHIẾN HÀ NỘI - 2010
LỜI CAM ĐOAN Ngoài sự giúp đỡ và chỉ bảo tận tình của Giảng viên TS. Đào Ngọc Chiến, cuốn luận văn này là sản phẩm của quá trình tìm tòi, nghiên cứu và trình bày của tác giả về đề tài trong luận văn. Mọi số liệu, quan điểm, quan niệm, phân tích, kết luận của các tài liệu và các nhà nghiên cứu khác đều được trích dẫn theo đúng quy định. Vì vậy, tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng mình. Hà nội, tháng 10 năm 2010 Tác giả Nguyễn Thị Minh Thủy 1
MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................................1 MỤC LỤC...................................................................................................................2 DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT .........................................................................4 DANH MỤC BẢNG BIỂU ........................................................................................4 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ .....................................................................5 LỜI NÓI ĐẦU ............................................................................................................8 Chương 1: TỔNG QUAN .........................................................................................10 1.1. Nhu cầu mạng không dây hiện nay................................................................10 1.2. Động lực phát triển.........................................................................................12 1.2.1. Dải tần số và môi trường truyền sóng .....................................................12 1.2.2. Đặc điểm dải sóng milimét .....................................................................14 1.2.3. Một số ứng dụng công nghệ sóng milimét..............................................15 1.3. Kết quả mong muốn .......................................................................................22 Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT..............................................................................24 2.1. Nhắc lại lý thuyết trường ...............................................................................24 2.1.1. Phương trình Maxell và điều kiện biên...................................................24 2.1.2. Phương trình thế......................................................................................25 2.1.3. Điều kiện bờ ............................................................................................29 2.1.4. Khái quát về phương pháp phần tử hữu hạn ...........................................30 2.2. Lý thuyết chung về anten. ..............................................................................40 2.2.1. Khái niệm về anten..................................................................................40 2.2.2. Những đặc trưng cơ bản của anten..........................................................41 2.2.3. Các hệ thống anten ..................................................................................47 2.3. Giới thiệu anten vi dải....................................................................................48 2.3.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của anten vi dải ...................................48 2
2.3.2. Tính phân cực của anten vi dải ...............................................................53 2.3.3. Băng thông của anten vi dải....................................................................54 2.3.4. Ưu, nhược điểm của anten vi dải và xu hướng phát triển.......................54 2.4. Giới thiệu về anten mảng ...............................................................................55 2.4.1. Các tham số cơ bản của một anten mảng................................................55 2.4.2. Phân loại anten mảng ..............................................................................57 2.4.3. Các định nghĩa, lý thuyết chung của anten mảng ...................................62 Chương 3 : PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ GIÀN ANTEN QUASI-YAGI DẢI TẦN 30 GHZ......................................................................................................................68 3.1. Giới thiệu anten Yagi-Uda truyền thống........................................................68 3.2. Lý thuyết anten quasi-Yagi ............................................................................71 3.3. Phân tích và thiết kế anten mảng quasi-Yagi dải tần 30 GHZ.......................73 3.3.1. Thiết kế anten quasi-Yagi dải tần 30 GHZ .............................................74 3.3.2. Thiết kế bộ Feed cho anten mảng quasi-Yagi - 30 GHZ ........................78 3.3.3. Thiết kế anten mảng quasi-Yagi dải tần 30 GHZ ...................................79 3.4. Kết quả mô phỏng và thảo luận .....................................................................79 3.4.1. Giới thiệu công cụ mô phỏng - Ansoft HFSS. ........................................79 3.4.2. Quá trình phân tích thích ứng..................................................................81 3.4.3. Kết quả mô phỏng ...................................................................................86 TÀI LIỆU THAM KHẢO.........................................................................................96 BẢNG ĐỐI CHIẾU THUẬT NGỮ ANH-VIỆT .....................................................98 3
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT BEM Boundary Element Method Phương pháp phần tử biên BSC Base Station Control Trạm điều khiển gốc BTS Base Transceiver Station Trạm phát sóng gốc CPS Coplanar stripline Đường vi dải đồng phẳng CPW coplanar waveguide ống dẫn sóng đồng phẳng FDTD Finite difference time domain Biến đổi hữu hạn miền thời gian FEM Finite Element Method Phương pháp phần tử hữu hạn IF Intermediate Frequence Tần số trung tần LAN Local Area Network Mạng máy tính cục bộ LOS Light of sight Tầm nhìn thẳng mm Millimeter milimét MoM method of moment Phương pháp mô-men MSA Microstrip Anten anten vi dải MW Millimeter Wave sóng millimét MWT Millimeter wave technology Công nghệ sóng millimét RF Radio Frequence Sóng vô tuyến SNR Signal Noise Ratio Tỉ số tín trên tạp V2V Vehicle to Vehicle xe với xe WLAN Wireless Local Area Network Mạng vô tuyến cục bộ WPAN Wireless Personnal Area Network Mạng vô tuyến cá nhân DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1: So sánh giữa phương pháp mô-men và phương pháp phần tử hữu hạn...39 Bảng 3.1: Thông số kích thước của anten truyền thống (đơn vị µm) .......................77 4
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1: Tốc độ dữ liệu, phạm vi chuẩn WLAN và WPAN và ứng dụng. .............12 Hình 1.2: Phổ tần số ..................................................................................................12 Hình 1.3: Các phương thức truyền sóng ...................................................................13 Hình 1.4: Sóng không gian và chân trời vô tuyến.....................................................14 Hình 1.5: Hệ thống giao tiếp V2V ............................................................................16 Hình 1.6: Hệ thống công nghệ “Nút giao nhau thông minh”....................................17 Hình 1.7: Mô hình kết nối BTS – BSC sử dụng MWT ............................................18 Hình 1.8: Mô hình minh họa thông tin vệ tinh tại thành phố....................................19 Hình 2.1: Điều kiện biên của E và B.........................................................................29 Hình 2.2: Những phần tử hữu hạn điển hình ............................................................32 Hình 2.3: (a) Miền nghiệm; (b) Sự rời rạc hóa phần tử hữu hạn miền nghiệm ........32 Hình 2.4: Phần tử tam giác điển hình........................................................................34 Hình 2.5: Rời rạc hóa miền nghiệm không đồng nhất. .............................................34 Hình 2.6: Tổng hợp ba phần tử i-j-k .........................................................................35 Hình 2.7: Miền nghiệm đối xứng qua trục................................................................37 Hình 2.8: Cách chia miền nghiệm thành các phần tử ...............................................38 Hình 2.9: Hệ thống anten thu và phát .......................................................................40 Hình 2.10: Đồ thị phương hướng trong toạ độ cực...................................................44 Hình 2.11: Đồ thị phương hướng trong toạ độ góc...................................................45 Hình 2.12: Cấu trúc anten vi dải và hệ tọa độ[6 ] .....................................................48 Hình 2.13: Các hình dạng của anten vi dải dạng tấm. ..............................................49 Hình 2.14: Cấu trúc anten dipole vi dải. ...................................................................50 Hình 2.15: Các dạng cơ bản của anten khe vi dải.....................................................50 Hình 2.16: Các hình dạng của anten vi dải sóng chạy. .............................................50 Hình 2.17: Tiếp điện bằng cáp đồng trục..................................................................51 Hình 2.18: Tiếp điện bằng đường vi dải ..................................................................51 Hình 2.19: Tiếp điện bằng ghép khe[6] ....................................................................52 Hình 2.20: Trường bức xạ E và H của anten vi dải.[6].............................................52 5
Hình 2.21: Tiếp điện bằng 1 đường vi dải [4]...........................................................53 Hình 2.22: Tiếp điện bằng 2 đường vi dải vào hai cạnh của anten [4] .....................53 Hình 2.23: Một mảng tuyến tính cách đều................................................................58 Hình 2.24: Mảng vòng với k phần tử cách đều.........................................................59 Hình 2.25: Mảng phẳng hình chữ nhật......................................................................60 Hình 2.26 : Mảng phẳng hình lục giác......................................................................61 Hình 2.27: Mạng điều khiển búp sóng tương tự .......................................................63 Hình 2.28: Anten mảng vi dải gồm bốn phần tử.......................................................64 Hình 2.29: Mảng pha tuyến tính ...............................................................................64 Hình 3.1: Anten Yagi - Uda (Anten Dẫn xạ )...........................................................69 Hình 3.2: Mô hình anten Yagi-Uda và quasi-Yagi ...................................................72 Hình 3.3: Mô hình thiết kế chi tiết anten quasi -Yagi...............................................75 Hình 3.4: a) bộ chuyển đổi λ/4 ; b) bộ chia tín hiệu đầu vào..................................76 Hình 3.5: Bộ trễ 1800; a) góc chuyển 900 ; b) góc chuyển 450 .............................76 Hình 3.6: Kết nối bộ trễ và CPS................................................................................77 Hình 3.7: Mô hình thiết kế và mô phỏng anten quasi-Yagi......................................77 Hình 3.8: Mô hình thiết kế bộ Feed cho anten mảng quasi-Yagi .............................78 Hình 3.9: Mô phỏng bộ Feed cho .............................................................................78 Hình 3.10: Mô hình thiết kế anten mảng quasi-Yagi................................................79 Hình 3.11: Cách chia phần tử hữu hạn trong HFSS:.................................................80 Hình 3.12: Các bộ quét tần số ...................................................................................82 Hình 3.13: Các nguồn kích thích...............................................................................83 Hình 3.14: Các điều kiện biên...................................................................................84 Hình 3.15: Loại lời giải trong HFSS .........................................................................84 Hình 3.16: Sơ đồ khối thực hiện mô phỏng của HFSS.............................................85 Hình 3.17: Mô phỏng hình ảnh 3D - anten quasi-Yagi 30 GHZ ..............................86 Hình 3.18: Mô phỏng bức xạ trường E, anten quasi-Yagi 30 GHZ..........................86 Hình 3.19: Mô phỏng bức xạ dòng mặt, anten quasi-Yagi 30 GHZ.........................86 Hình 3.20: Đồ thị tổn hao ngược S11 của anten quasi-Yagi -30 GHZ.....................87 Hình 3.21: Đồ thị bức xạ mặt phẳng E và H anten quasi-Yagi -30 GHZ ................87 6
Hình 3.22: Đồ thị bức xạ phân cực thẳng và ngang, anten quasi-Yagi 30 GHZ ......87 Hình 3.23: Mô phỏng bức xạ trường E bộ feed, anten quasi-Yagi 30 GHZ.............88 Hình 3.24: Mô phỏng dòng mặt, bộ feed, anten quasi-Yagi 30 GHZ.......................88 Hình 3.25: Hệ số truyền đạt của bộ feed -30 GHZ ..................................................88 Hình 3.26: Mô hình 3D, anten mảng quasi-Yagi 30 GHZ........................................89 Hình 3.27: Mô phỏng bức xạ trường E, anten mảng quasi -Yagi 30 GHZ...............89 Hình 3.28: Mô phỏng bức xạ dòng mặt, anten mảng quasi-Yagi 30 GHZ...............89 Hình 3.29: Đồ thị tổn hao ngược S11, anten mảng quasi –Yagi 30 GHZ ................90 Hình 3.30: Đồ thị bức xạ mặt phẳng E anten mảng quasi-Yagi ...............................90 Hình 3.31: Bức xạ phân cực thẳng và ngang trong mặt phẳng E .............................90 Hình 3.32: Đồ thị bức xạ trong mặt phẳng H, anten mảng quasi –Yagi 30GHZ .....91 Hình 3.33: Đồ thị bức xạ phân cực thẳng và ngang trong mặt phẳng H...................91 Hình 3.34: Hình ảnh 3D - Độ tăng ích anten mảng quasi – Yagi .............................91 Hình 3.35: Hình ảnh 3D anten mảng quasi-Yagi - 30 GHZ nghiêng ± 450 ..............92 Hình 3.36: Bức xạ trường E, anten mảng quasi -Yagi 30 GHZ nghiêng ± 450 ........92 Hình 3.37: Bức xạ dòng mặt, anten mảng quasi-Yagi 30 GHZ nghiêng ± 450 ........92 Hình 3.38: Tổn hao ngược S11 anten mảng quasi-Yagi 30 GHZ nghiêng ± 450 .....93 Hình 3.39: Độ tăng ích anten mảng quasi-Yagi-30 GHZ nghiêng góc ± 450 ...........93 Hình 3.40: Đồ thị bức xạ anten mảng quasi-Yagi 30 GHZ, góc 00 .........................93 Hình 3.41: Đồ thị bức xạ anten mảng quasi-Yagi 30 GHZ nghiêng góc 450 ...........94 Hình 3.42: Đồ thị bức xạ anten mảng quasi-Yagi 30 GHZ, góc 900 ........................94 Hình 3.43: Đồ thị bức xạ anten mảng quasi-Yagi 30 GHZ, góc -450 .......................94 7
LỜI NÓI ĐẦU Cùng với sự phát triển của xã hội nhu cầu thông tin liên lạc của con người là rất lớn, các hệ thống thông tin liên lạc đã và đang góp phần đặc biệt quan trọng vào quá trình phát triển kinh tế, xã hội, quốc phòng và an ninh của mọi quốc gia, đặc biệt trong xu thế toàn cầu hóa như hiện nay. Trong các hệ thống thông tin vô tuyến vai trò của anten là vô cùng quan trọng, nó quyết định đến chất lượng của kênh truyền sóng. Quá trình thu hoặc phát tín hiệu bên cạnh tín hiệu hữu ích còn có rất nhiều các loại nhiễu và tạp âm khác tới thiết bị thông tin với biên độ, tần số, hướng tới, thời gian khác nhau có thể dẫn tới mất tin hay gián đoạn thông tin. Do đó, việc nghiên cứu về anten mảng có ý nghĩa hết sức quan trọng vì đầu ra anten mảng về lý tưởng sẽ tạo ra một “búp sóng không” về phía nguồn nhiễu và búp sóng chính về phía tín hiệu, dẫn đến quá trình triệt nhiễu được dễ dàng, qua đó quyết định đến chất lượng thu phát tín hiệu của hệ thống thông tin. Gần đây, các hệ thống ra-đa hoạt động ở dải sóng milimét sử dụng cho các phương tiện cơ giới đã và đang thu hút được sự quan tâm đặc biệt từ các nhà nghiên cứu cũng như các hãng sản xuất. Các hệ thống ra-đa này có khả năng hỗ trợ con người trong điều kiện thời tiết xấu qua đó giúp giảm thiểu các nguy cơ gây tai nạn cho các phương tiện cơ giới. Hệ thống ra-đa nói trên sử dụng sóng phân cực tuyến tính và nghiêng một góc ± 45 độ để tránh can nhiễu đến những phương tiện lân cận. Anten cho hệ thống ra-đa này đòi hỏi phải có hiệu suất bức xạ cao đồng nghĩa với hệ số tăng ích lớn để có thể dò tìm được những vật thể từ khoảng cách xa, có kích thước nhỏ, và dễ dàng chế tạo. Xuất phát từ những cơ sở khoa học và nhu cầu đòi hỏi từ thực tiễn, luận văn cao học với tên đề tài:“Phân tích và thiết kế giàn anten quasi-Yagi ứng dụng cho hệ thống ra-đa ở dải sóng milimét” đã bước đầu xây dựng giải pháp thực hiện nhằm đạt được mục tiêu cụ thể như sau: • Nghiên cứu tổng thuật các tài liệu kỹ thuật liên quan đến công nghệ vô tuyến ở dải sóng milimét (≥ 30GHz). 8
• Tìm hiểu và sử dụng thành thạo công cụ phân tích và thiết kế anten dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn miền tần số. • Phân tích và thiết kế giàn anten quasi-Yagi ở tần số 30 GHz cho hệ thống ra- đa trên các phương tiện cơ giới. Do điều kiện thời gian và trình độ còn hạn chế, nên những sai sót trong quá trình làm luận văn là khó tránh khỏi. Tôi rất mong nhận được sự chỉ bảo, nhận xét của các thầy cô giáo nhằm giúp cho luận văn được hoàn thiện hơn. Tôi xin trân trọng bày tỏ lòng biết ơn tới thầy TS. Đào Ngọc Chiến đã định hướng, tạo điều kiện và hướng dẫn nhiệt tình giúp cho Tôi hoàn thành luận văn tốt nghiệp. Tôi cũng chân thành cảm ơn bạn Bùi Văn Hà và các bạn bè tại phòng nghiên cứu và phát triển truyền thông (CRD), cũng như các thầy cô trong khoa Điện tử -Viễn Thông đã giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện. Hà Nội, tháng 10 năm 2010 Người thực hiện luận văn NGUYỄN THỊ MINH THỦY 9
Chương 1: TỔNG QUAN Chương 1 bắt đầu bằng việc tìm hiểu hiện trạng, sự phát triển, cũng như nhu cầu của hệ thống thông tin hiện tại. Các phần tiếp theo là động lực thúc đẩy sự nghiên cứu phát triển chuẩn công nghệ cho dải sóng millimét. Cuối chương là yêu cầu với anten cho những hệ thống hoạt động tại dải sóng millimét, và kết quả mong muốn thực hiện trong luận văn. 1.1. Nhu cầu mạng không dây hiện nay Ngày nay, trong xu thế hội nhập, toàn cầu hóa, cùng với sự bùng nổ của khoa học kĩ thuật hiện đại, công nghệ viễn thông tiên tiến, những ứng dụng, dịch vụ đa phương tiện được đưa tới người dùng với nội dung, chất lượng ngày một nâng cao. Nhu cầu về dịch vụ tích hợp tốc độ cao dường như sẽ phát triển nhanh chóng trong tương lai gần. Đây là một thách thức lớn đối với những nhà nghiên cứu cũng như nhà cung cấp dịch vụ khi cần phải xây dựng chuẩn cho các công nghệ kĩ thuật nhằm đáp ứng được nhu cầu này. Sự chấp nhận một thế hệ của công nghệ Ethernet được quyết định bởi các yếu tố như kinh tế, nhu cầu, và tốc độ tại đó giá của công nghệ mới cạnh tranh được so với công nghệ cũ. Vì giá của 100 Mbps Ethernet giảm và bằng giá của 10 Mbps Ethernet trước đó, người dùng sẽ nhanh chóng chuyển sang Ethernet tốc độ 100 Mbps có mức hiệu năng cao hơn. Trong tháng 1 năm 2007, Ethernet tốc độ 10 Gbps truyền trên sợi cáp đồng được giới thiệu, thêm vào đó, Ethernet tốc độ gigabit có tính kinh tế hơn cho những kết nối sever và kết nối desktop với giá rẻ hơn giá của công nghệ 100 Mbps. Như một hệ quả, công nghệ Ethernet tốc độ gigabit trở thành chuẩn cho những máy chủ, và những hệ thống ngày nay đuợc thiết kế với card mạng tốc độ gigabit. Khi giá của hệ thống gigabit không dây đạt tới giá của đường truyền/ kết nối 100 Mbps, người dùng sẽ chuyển sang sản phẩm có hiệu năng cao hơn, cho cả những ứng dụng không dây truyền thống, cũng như cho những ứng dụng hệ thống với tốc độ gigabit. Trong khía cạnh của một mô hình kinh tế, giao tiếp không dây đang hướng tới cách tiếp cận cần cho tốc độ gigabit và kết nối vùng rộng hơn như những ứng dụng xuất hiện cho mạng audio/visual (A/V) gia đình, 10
multimedia chất lượng cao, dịch vụ thoại và số liệu. Hệ thống WLANs có thể cung cấp tốc độ cực đại là 54 Mbps, với 200 – 500 Mbps như IEEE 802.11n, chuẩn bị đưa vào khai thác. Tuy nhiên, ngay cả tốc độ với 500 Mbps, WLANs cũng không thể đáp ứng được nhu cầu truy cập tốc độ cao hơn từ những chương trình mới và sự cạnh tranh từ mạng LANs 10 Gbps. Thêm vào đó, tương lai mạng A/V gia đình sẽ yêu cầu tốc độ dữ liệu lên tới Gbps để hỗ trợ cho nhiều dòng A/V tốc độ cao (ví dụ truyền tải video không nén chất lượng cao với độ phân giải lên tới 1920x1080, với kích thước lưới từ 5 tới 10 ms). Dựa trên yêu cầu kĩ thuật của những ứng dụng cho hệ thống không dây tốc độ cao, những nhà xây dựng chuẩn công nghệ cần phải tính tới những vấn đề sau: • Áp lực tăng tốc độ dữ liệu sẽ vẫn tiếp tục. • Yêu cầu cho những ứng dụng đa phương tiện (multimedia) không dây, độ phân giải cao, yêu cầu tốc độ truyền lớn hơn. • Dòng dữ liệu và thời gian download cũng như phục hồi dữ liệu cho thiết bị di động và thiết bị cá nhân sẽ cùng đặt ra yêu cầu vào nguồn dữ liệu chia sẻ. Một vài huớng tiếp cận, như IEEE 802.11n, đang tăng tốc độ dữ liệu bằng cách cải tạo những chuẩn WLANs để tăng tốc độ dữ liệu và đạt tới tốc độ nhanh gấp 10 lần so với IEEE 802.11g. Những yếu tố khác như băng thông rộng đang đòi hỏi nhiều hơn nữa những biện pháp hữu hiệu, như chia sẻ phổ với những người sử dụng khác. Một cách khác chắc chắn đưa vào thực tế là phương pháp đưa lên dải tần cao hơn, chưa đuợc sử dụng và không thông dụng đó là dải tần với bước sóng millimét (millimeter wave - MW) . Mặc dù công nghệ sóng mm đã được công bố trong nhiều năm gần đây, nhưng hệ thống sóng mm mới chỉ đuợc khai thác chủ yếu trong lĩnh vực quân sự. Hiện tại với những ưu điểm trong công nghệ xử lý và những giải pháp tích hợp chi phí thấp, công nghệ này đã bắt đầu thu hút sự quan tâm lớn từ những chuyên gia, nhà thương mại và những nhà xây dựng chuẩn. Nói chung, công nghệ sóng mm được phân loại theo tần số từ 30 GHz tới 300 GHz tương ứng với bước sóng từ 10 tới 1 mm. Tuy đem lại nhiều ưu điểm, nhưng hệ thống thông tin dựa trên công nghệ sóng mm cũng gặp phải nhiều vấn đề cần phải giải quyết, như chuẩn IEEE 802.11n sẽ tăng hiệu 11
năng của hệ thống thông tin không dây, nhưng mới chỉ băng thông được tăng lên, còn tốc độ dữ liệu vẫn thấp hơn 1 Gbps. Dưới đây là hình ảnh minh họa tốc độ dữ liệu và phạm vi yêu cầu cho những hệ thống WLAN và WPAN. Hình 1.1: Tốc độ dữ liệu, phạm vi chuẩn WLAN và WPAN và ứng dụng. Bởi vì cần có sự phân biệt giữa những chuẩn khác nhau cho sự khai thác thương mại. Chuẩn IEEE 802.15.3c được dùng để cung cấp tốc độ gigabit và vùng hoạt động rộng hơn. Tại những tốc độ và phạm vi này, việc cung cấp năng lượng thích hợp cho hoạt động của hệ thống sóng mm phải đảm bảo một liên kết ổn định, tin cậy đó là nhiệm vụ khó khăn. Hơn thế nữa, lan truyền trễ của kênh cũng là vấn đề một giới hạn khác trong truyền tin tốc độ cao. Những giá trị trễ lan truyền lớn có thể dễ dàng tăng độ phức tạp của hệ thống vượt quá giới hạn cân bằng. 1.2. Động lực phát triển 1.2.1. Dải tần số và môi trường truyền sóng Hình 1.2: Phổ tần số Thông tin vô tuyến bảo đảm việc phát thông tin đi xa nhờ các sóng điện từ. Môi trường truyền sóng (khí quyển trên mặt đất, vũ trụ, nước, đôi khi là các lớp địa chất của mặt đất) là chung cho nhiều kênh thông tin vô tuyến. Việc phân kênh chủ 12
yếu dựa vào tiêu chuẩn tần số. Phổ tần tổng cộng và miền áp dụng của chúng được chỉ ra tại hình 1.2. • Các phương thức truyền lan sóng điện từ Các sóng bức xạ từ điểm phát có thể đến được các điểm thu theo những đường khác nhau. Các sóng truyền lan dọc theo bề mặt quả đất gọi là sóng đất hay sóng bề mặt, còn các sóng đi tới các lớp riêng biệt của tầng ion và phản xạ lại gọi là sóng điện ly hay sóng trời và sóng không gian (gồm sóng trực tiếp và sóng phản xạ từ mặt đất). Hình 1.3: Các phương thức truyền sóng Sóng điện từ lan truyền từ anten phát đến anten thu có thể theo nhiều phương thức khác nhau được thể hiện trên hình 1.3. Gồm sóng trực tiếp và sóng phản xạ từ mặt đất, truyền trong vài km tầng dưới của khí quyển. Sóng trực tiếp lan truyền giữa các đường thẳng anten phát và anten thu, còn gọi là LOS. Vì thế sóng không gian bị hạn chế bởi độ cong của trái đất. Sóng phản xạ từ đất là sóng phản xạ từ bề mặt trái đất khi lan truyền giữa anten phát và thu. Độ cong của trái đất tạo nên chân trời đối với sự truyền lan sóng không gian, thường gọi là chân trời vô tuyến. Có thể kéo dài chân trời vô tuyến bằng cách nâng cao anten phát hoặc thu (hay cả hai) bằng tháp hoặc đặt trên đỉnh núi hoặc toà nhà. Hình 1.4 chỉ ra ảnh hưởng của độ cao anten đến chân trời vô tuyến. Chân trời vô tuyến nhìn thẳng đối với một anten bằng: d = 2h Trong đó: d: Khoảng cách đến chân trời vô tuyến (dặm); h: Độ cao anten so với mực nước biển (phít). 13
Hình 1.4: Sóng không gian và chân trời vô tuyến Do đó, khoảng cách giữa anten phát và anten thu là: d = dt + d r = 2 ht + 2 hr Trong đó: d là tổng khoảng cách (dặm), dt , d r là chân trời vô tuyến đối với anten phát và thu (dặm hoặc km), ht , hr là độ cao anten phát và thu (phít hoặc mét). Khoảng cách cực đại giữa máy phát và máy thu trên đất trung bình có thể tính gần đúng theo công thức sau (đơn vị mét): d (max) = 17 ht + 17 hr Như vậy, khoảng cách truyền sóng không gian có thể tăng bằng cách tăng độ cao anten phát, anten thu hoặc cả hai. Do các điều kiện ở tầng dưới khí quyển hay thay đổi nên mức độ khúc xạ thay đổi theo thời gian. 1.2.2. Đặc điểm dải sóng milimét Trong phần này, chúng ta sẽ tìm hiểu những đặc điểm dải sóng milimét và những ứng dụng có thể được triển khai trên dải tần này. Băng tần Ka (30/20 GHz) được sử dụng rất hạn chế vì điều kiện truyền sóng rất khó khăn do bị suy hao lớn vì mưa. Một số nước đang nghiên cứu thực nghiệm và triển khai tích cực các ứng dụng trên băng tần này như Mỹ, Đức, Italy, Nhật bản, Hàn quốc. Nhưng với khả năng cung cấp dải băng thông rất lớn dải tần 30 GHz được kì vọng sẽ đáp ứng được nhu cầu ngày một tăng về dịch vụ tích hợp tốc độ cao. Sau đây là những ưu điểm và đặc điểm chính của công nghệ 30 GHz. - Chưa được đưa vào khai thác, sử dụng nhiều. 14
- Hoạt động ổn định cao: Do hoạt động trong phạm vi ngắn, độ rộng búp sóng hẹp và không có tường hấp thụ. Giới hạn hoạt động gần như tự do. - Khả năng tái sử dụng tần số cao. Công nghệ ổn định. - Suy hao đường truyền lớn trong khí quyển và mưa. Công nghệ này có thể sử dụng trong triển khai Internet tốc độ cao. Truyền số liệu, ảnh, dữ liệu, âm thanh với tốc độ cao trong phạm vi hẹp phù hợp cho các hệ thống thông tin yêu cầu tính bảo mật cao phục vụ cho quân sự và an ninh quốc gia. 1.2.3. Một số ứng dụng công nghệ sóng milimét Công nghệ sóng mm cho nhiều ưu điểm vượt trội hơn so với những hệ thống thông tin hiện tại. Một trong những tiêu chí quyết định khiến cho công nghệ sóng mm thu hút chú ý quan tâm trong thời gian gần đây là việc cung cấp lượng băng thông chưa sử dụng rất lớn. Trong khi có thể cung cấp băng thông cho mục đích băng thông rộng (UWB), thì dải tần 30 GHz là dải liên tục và ít bị hạn chế bởi giới hạn công suất và có rất ít người đang sử dụng. Khả năng cung cấp băng rộng cũng như sự linh động giúp công nghệ 30 GHz trở nên hấp dẫn cho những ứng dụng không dây tốc độ gigabit. Tuy nhiên suy hao đường truyền lớn là nhược điểm tại dải tần số 30 GHz, nó giới hạn công suất và hoạt động hệ thống với môi trường trong nhà và di động. Vì vậy, những mức gây nhiễu cho 30 GHz là ít hơn so với những hệ thống tại vùng tần số (2- 2.5 GHz), và (5 – 5.8 GHz). Thêm vào đó, tại tần số càng cao, việc tái sử dụng tần số có thể thực hiện tại những khoảng cách ngắn trong môi trường di động. Kích thước nhỏ, nhẹ của thiết bị cho dải tần 30 GHz cũng cho phép nhiều anten có thể sử dụng tại phía người dùng điều mà rất khó thực hiện với những hệ thống tần số thấp hơn. So sánh với hệ thống 5 GHz, chỉ số kích thước của hệ thống sóng mm nhỏ hơn gần 100 lần và có thể tích hợp dễ dàng trong thiết bị người dùng, nhưng sẽ yêu cầu những phương pháp thiết kế mới để phù hợp với yêu cầu của hệ thống thông tin hiện đại. Đặc điểm ở băng tần này là phổ tần của băng tần rất lớn nên có thể dễ dàng sử dụng lại băng tần nhiều lần bằng các chùm tia nhỏ. Những đặc điểm trên đây cho phép công nghệ sóng milimét có thể được sử dụng trong những ứng 15
dụng không dây hiện nay. Tiếp theo, chúng ta sẽ tìm hiểu những ứng dụng điển hình có thể triển khai trên dải tần GHz. Sau đây là một số ứng dụng sẽ được giới thiệu lần lượt dưới đây. ¾ Hệ thống thông tin vô tuyến đa chặng V2V Hình 1.5: Hệ thống giao tiếp V2V “Vehicle to Vehicle – xe với xe” Các xe lưu thông trên đường có khả năng trao đổi thông tin với nhau về: tốc độ, địa điểm, sự chuyển hướng, v.v… thông qua V2V. Hệ thống này hoạt động ở dải sóng mm (30 ghz) bằng cách cảnh báo lái xe về nguy hiểm tiềm năng từ những xe khác Từ đó lái xe có thể được nắm bắt trước tình hình nếu có xe khác dừng trong khu vực khó quan sát hoặc đang tiến vào cùng nút giao nhau. Phần cứng của hệ thống bao gồm bộ xử lý siêu nhỏ, bộ thu GPS (định vị toàn cầu) và mạng LAN không dây. Khoảng cách mà các xe có thể liên lạc với nhau trong phạm vi vài trăm mét và thông tin thường được chuyển tới lái xe thông qua âm thanh cảnh báo hoặc màn hình hiển thị nhỏ. ¾ Nút giao nhau thông minh Gần đây hãng Ford đã giới thiệu công nghệ “Smart Intersection–Nút giao nhau thông minh”, Hệ thống này hoạt động dựa trên GPS và công nghệ kết nối không dây trong dải sóng mm (30 ghz) kích hoạt đèn giao thông và tín hiệu đường phố để gửi cảnh báo tới các phương tiện đang tiếp cận gần nhằm giảm tai nạn và tắc nghẽn giao thông. Tại nút giao nhau được trang bị một hộp bao gồm một máy tính kiểm soát giao thông, hệ thống GPS, tần sóng W-Fi phạm vi ngắn, kho lưu trữ bản đồ và bộ cảm biến trung tâm. Khi một chiếc xe tiến lại gần, bộ truyền tín hiệu nhỏ đặt tại 16
đỉnh đèn sẽ thiết lập kết nối với hệ định vị của xe. Nó sẽ truyền bản đồ về nút giao nhau và thông báo hiện trạng đèn giao thông cũng như thời gian thay đổi. Nếu máy tính của xe xác định rằng lái xe chuẩn bi vượt đèn đỏ, hoặc chưa đủ thời gian để chạy qua nút giao nhau trước khi tín hiệu này thay đổi, nó sẽ cảnh báo cho lái xe bằng hình ảnh và âm thanh. Với sự nỗ lực của các nhà sản xuất ô tô, chắc chắn trong tương lai gần, một hệ thống chuẩn hóa sẽ được sử dụng giúp các phương tiện trên đường nhận biết sự có mặt của các loại phương tiện giao thông khác và giảm thiểu tối đa các vụ va chạm. Hộp kỹ thuật đặt trên đường Bộ thu tín hiệu trên xe Hình 1.6: Hệ thống công nghệ “Nút giao nhau thông minh” ¾ Vừa lái xe, vừa cập nhật Facebook với OnStar Hãng GM lên kế hoạch giới thiệu tính năng rảnh tay mới của OnStar liên quan đến mạng xã hội Facebook thông qua giao diện MyLink ứng dụng mạng không dây hoạt động trong dải sóng mm (30 ghz). Ngay cả khi hai tay đang bận lái xe, bạn vẫn có thể cập nhật status Facebook bằng giọng nói của mình. Nhờ công nghệ nhận diện giọng nói thông minh, status sẽ được viết lên Facebook mà không cần dùng đến tay Chỉ cần nhấn nút và nói, bạn sẽ cập nhật được status lên Facebook thông qua giao diện MyLink. Khi muốn cập nhật status lên Facebook, người lái chỉ cần đọc để hệ 17
thống OnStar ghi âm thành một file. Sau đó, MyLink sẽ chuyển file âm thanh thành chữ viết và cập nhật lên Facebook. ¾ Mạng di động và cố định Backhaul Fixed and Mobile Network Backhaul - Backhaul là thuật ngữ dùng chỉ sự truyền tải thông tin từ một trạm phát sóng (một mạng từ xa) về mạng trục (mạng trung tâm). Công nghệ băng rộng không dây hoạt động trong dải sóng mm có thể sử dụng để đáp ứng những yêu cầu kết nối của hệ thống 4G, 3G, 2.5G và 802.11. Đặc biệt, công nghệ này có thể được kết hợp để tạo giao tiếp giữa trạm BTS và BSC trong thông tin di động. ¾ Mạng mở rộng truyền thông cáp/Xe điện ngầm Fibre Extension/ Metro Networking - Những nhà cung cấp dịch vụ có thể mở rộng mạng truyền thông cáp bằng việc truyền từ một trong những trung tâm của họ tới tòa nhà gần người dùng sử dụng công nghệ dải sóng mm (Millimeter wave technology – MWT). Đường truyền không dây có thể sử dụng trong trường hợp này nơi mà kết nối cáp không thể thực hiện được hay không khả thi về mặt kinh tế, Chi phí thấp. Mô hình được minh họa bằng hình vẽ dưới đây. Hình 1.7: Mô hình kết nối BTS – BSC sử dụng MWT ¾ Giải quyết các vấn đề thông tin giao tiếp trong các khu căn hộ cao cấp Eliminate Reception Problems for Apartment Dwellers - Những người sử dụng trong thành phố có thể không nhận được tín hiệu phát từ những trạm phát sóng hay những vệ tinh do sự có mặt của cây cối hay nhà cao tầng gây cản trở tín hiệu trên đường truyền. Một trường hợp khác là những nơi mà nhà cao tầng ngăn cản người dân truy cập thông tin vệ tinh như trong hình 1.8. 18
Hình 1.8: Mô hình minh họa thông tin vệ tinh tại thành phố Ở Nhật Bản, sự sắp xếp trạm thu phát được đặt theo kết nối không dây thẳng đứng (Vertically Connected Wireless Link–VCWL) sử dụng MWT-30 ghz để khắc phục những khó khăn nêu trên. Hệ thống bao gồm một trạm phát đặt tại đỉnh tòa nhà hướng xuống, và những trạm thu được đặt tại những ban công. Đầu thu trong mỗi căn hộ nhận và chuyển tín hiệu xuống thành tín hiệu trung tần IF đưa vào một bộ giải điều chế. ¾ Mạng kết nối LAN - to - LAN (LAN bridges) Những tòa nhà trong khu vực dân cư có thể kết nối với nhau bằng những kết nối không dây có băng thông rộng sử dụng MWT- 30 ghz, ưu điểm là đường truyền đảm bảo tin cậy, dễ triển khai và khả năng phục vụ cao. ¾ Mô hình một số ứng dụng của mạng không dây ngoài trời Mô hình minh họa đặc thù địa hình đồi núi 19