Thiết kế một tuyến truyền vi ba số

LỜI GIỚI THIỆU Trong thời đại bùng nổ thông tin và phát triển xã hội như hiện nay thì việc giao lưu mọi mặt giữa các quốc gia trên thế giới, các khu vực hay đơn giản chỉ là các vùng trên cùng một lãnh thổ là rất cần thiết. Việc giao lưu đó có thể diễn trên nhiều phương thức như: thông tin vệ tinh, thông tin quang, hay thông tin vi ba số……Song truyền bằng sóng vô tuyến trên các đường vi ba giữ một vai trò quan trọng, và đựơc sử dụng ở nhiều lĩnh vực khác nhau: phát thanh, truyền tin, an ninh, đồng bộ hay dự phòng…. Ưu điểm nổi bật của hình thức thông tin sóng ngắn hay vi ba số đơn giản chất lượng vẫn đảm bảo…Nhưng nhược điểm của hình thức này là thông tin không ổn định và chịu nhiều ảnh hưởng của môi trường, đặc biệt là hiện phađinh. Do vậy mà việc thiết kế tuyến vi ba đòi hỏi phải cụ thể và chính xác. Là một sinh viên, việc thiết kế một tuyến truyền vi ba số đã giúp cho em có thêm các kỹ năng về tư duy và kỹ năng thực tế, từ đó giúp chúng em có thể củng cố và mở rộng kiến thức chuyên ngành, đặc biệt là khả năng tính toán, phân tích và xử lý số liệu phù hợp với thực tế. Bài thiết kế được chia làm hai phần chính: -Phần lý thuyết: nêu lên các yêu cầu thiết kế và trình tự thực hiện thiết kế tuyến - Phần thiết kế: Nêu các tính toán thực tế và kiểm tra chất lượng đường truyền Bài thiết kế được thực hiển trong thời gian ngắn, và những hiểu biết còn hạn chế. Do vậy không thể tránh khỏi những sai sót. Qua đây , em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy giáo Lưu Đức Thuấn, và cô giáo Nguyễn Diệu Linh đa hướng dẫn em hoàn thành bài tập này. PHỤ LỤC Trang MỞ ĐẦU 2 A: PHẦN LÝ THUYẾT 3 I. Mục tiêu và yêu cầu: 1. Mục tiêu kỹ thuật 3 2. Mục tiêu kinh tế 3 3. Quy định chung cho thiết kế tuyến vi ba số 4 4. Tính toán các thông sô 4 II. Các bước thiết kế tuyến vi ba số 4 1. Khảo sát vị trí đặt trạm 4 2. Chon tần số làm việc 5 3. Tính độ cao Anten 6 4. Tính các nhân tố ảnh hưởng và các tham sô 8 a. Các nhân tố ảnh hưởng đến đường truyên 8 b. Các tham số đường truyên 8 5. Các thông số chất lượng đường truyền 9 B: PHẦN THIẾT KẾ TUYẾN VI BA I.Các thông số của tuyến và đặc tính thiết bị 10 1. Các thông số của tuyến 10 2. Các thông số của thiết bị 11 II. Tính toán các giá trị đường truyền 11 1. Độ lồi quả đất 11 2. Khoảng hở đường truyền 12 3. Độ cao cột Anten 13 4. Suy hao hệ thống 13 5. Các giá trị của thiết bị thu – phát 14 III. Kiểm tra chất lượng đường truyền 1. Độ dự trữ Phađinh 14 2. Mức ngưỡng máy thu 14 3. Xác suất đạt tới ngưỡng 14 4. Thời gian Phađinh 14 5. Xác suất Phađinh phẳng 14 6. Khả năng sử dụng của tuyến 15 KẾT LUẬN CHUNG 16 ĐỀ: THIẾT LẬP TUYẾN VI BA SỐ TỪ HÀ NỘI _THÁI NGUYÊN A. PHẦN LÝ THUYẾT: I. Muc tiêu và yêu cầu: Khi thiết kế tuyến truyền dẫn vi ba số thì chúng ta phải đảm bảo các chỉ tiêu kỹ thuật của tuyến đặt ra, đáp ứng các yêu cầu phục vụ, và đảm bảo tính kinh t ế. 1. Mục tiêu về kỹ thuật : Đảm bảo các tiêu chuẩn kỹ thuật theo CCITR, tức là thời gian gián đoạn cho phép. Theo đó, xác suất lỗi bít cho phép của tuyến truyền vi ba số là BER< 10-3 với các tuyến dài nhỏ hơn 280 km. Độ khả dụng Av của hệ thống ( tức là khả năng công tác của hệ thống) được đảm bảo khi thiết kế: - 99,98 % thời gian làm việc tốt. Cụ thể như: Nếu là liên lạc thoại thì trong 3 tháng bất kỳ không có quá 30 cuộc thoại bị gián đoạn. - Công thức tính độ khả dụng của hệ thống theo CCITR (99.98%) là:
Trong đó: A: độ khả dụng của hệ thống L : Chiều dài tuyến thiết kế T1: Thời gian gián đoạn của một hướng (s) T2: Thời gian gián đoạn của hướng ngược lại(s) Tb: Thời gian mất liên lạc khi phát 2 hướng song công Ts: Tổng thời gian nghiên cứu(s) 2. Mục tiêu kinh tế: Với bất kỳ hệ thống kỹ thuật nào đều tuân thủ theo quy luật tương tác giữa chi phí đầu tư và hiệu quả của sản xuất được thể hiện qua chất lượng của sản phẩm. Hệ thống viễn thông cũng vậy. Nếu tỷ số BER mà thấp thì chất lượng dịch vụ sẽ tăng, và như vậy thì chi phí đầu vào sẽ cao. Vậy mục đích kinh tế đầu tiên là thiết kế tuyến có chất lượng cao mà chi phí hợp lý nhất Do vậy, người thiết kế phải tính toán chính xác các thông số kỹ thuật theo tiêu chuẩn quy định, tính toán đến mục đích sử dụng của hệ thống và cả tình hình tài chính của đơn vị thi công, để từ đó lựa chọn thiết bị cho phù hợp, nhằm tránh lãng phí và đạt hiệu suất cao nhất. Việc thiết kế tuyến vi ba số giữa VTI và bưu điện thành phố Thái Nguyên là cần thiết, bởi nó kết nối từ trung tâm thông tin liên lạc về các tỉnh lẻ, nhằm phủ sóng trên diện rộng, đáp ứng nhu cầu của nhân dân, đặc biết là vùng sâu và vùng xa, nơi có địa hình phức tạp. Tuy nhiên việc lắp đặt trạm là khó khăn hơn do địa hình phức tạp và có một số khu vực đông dân cư. Vì vậy, việc tính toán chi phí phải chi tiết và có thể tận dụng những điều kiện đã có. 3. Một số quy đinh chung cho thiết kế tuyến Vi ba số: Việc thiết kế một tuyến thông tin nói chung và vi ba số nói chung cần dựa trên một số quy định sau: - Dự án báo cáo khả thi đã được cấp có thẩm quyền phê duyệt - Hồ sơ khảo sát, thuyết minh chính xác về nội dung xây lắp và các tiêu chuẩn kỹ thuật yêu cầu. - Các tiêu chuẩn, quy trình, quy phạm của ngành đã quy định. - Các định mức, dự toán có liên quan để đáp ứng cho việc thiết kế, thiết kế phải dựa trên khảo sát thực địa. - Việc lựa chọn tần số khi khai thác sẽ được đăng ký với cục tần số. - An toàn cho thiết bị và người khai thác 4. Tính toán các thông số: + Tính toán đường truyền dẫn + Tính toán chỉ tiêu chất lượng + Tính toán thời gian mất thông tin + Lắp đặt thiết bị, anten, đưa hệ thống vào hoạt động thử nghiệm để kiểm tra. II Các bước để thiết kế tuyến truyến vi ba số 1.Khảo sát vị trí đặt trạm: + Xác định tuyến trên bản đồ( trên bản đồ địa hình của khu vực xây dựng trạm) + Tạo nên các bản vẽ mặt cắt nghiêng của tuyến Từ các yêu cầu thực tế của một tuyếtn vi ba gồm: vị trí trạm, khoảng cách trạm, dung lượng truyền dẫn, địa hình tuyến sẽ đi qua… ta tiến hành đánh dấu hai đầu cuối của trạm trên bản đồ của Sở đo đạc để xác định chính xác kinh độ, vĩ độ của mỗi trạm. Các thông số toạ độ này được sử dụng để điều chỉnh các anten ở mỗi trạm trong giai đoạn lắp đặt thiết bị. Ký hiệu trên bản đồ: trạm A là trạm thứ nhất và trạm B là trạm thứ hai. Sau đó vẽ một mặt cắt nghiêng của đường truyền.
Mặc dù mặt đất có độ cong nhưng để đơn giản trong tính toán người ta thường vẽ mặt cắt nghiêng ứng với hệ số bán kính hiệu dụng của trái đất là k=4/3. Phương trình sau cho ta xác định chỗ lồi của mặt đất:
Do r là bán kính quả đất, r= 6370 [km] →Ei =
[m] k là hệ số bán kính của quả đất d1, d2 [km]: lần lượt là khoảng cách từ trạm A và trạm B đến điểm đang xét độ lồi của mặt đất. Ei: là độ lồi thực của mặt đất tại điểm đang xét. ha1: chiều cao cột anten của tram A ha2: Chiều cao cột anten của tram B Như vậy trên mặt nghiêng này thể hiện được bề mặt của địa hình. Ngoài ra nó cũng thể hiện được cả độ cao của cây cối các vật chắn trên đường truyền nối hai trạm A, B chẳng hạn như các gò, đồi, các nhà co tầng… Đối với khoảng truyền dẫn dài, độ cong của mặt đất lớn thì cần phải tính toán đến độ nâng của vị trí trạm. Độ nâng được vẽ dọc các đường thẳng đứng nên không đi dọc theo đường bán kính xuất phát từ tâm quả đất. 2.Chọn tần số làm việc: Công việc này liên quan đến việc chọn thiết bị cho tuyến và liên quan đến tần số sóng vô tuyến của các hệ thống lân cận. Việc lựa tần số phải tránh can nhiễu với các tần số khác đã tồn tại xung quanh khu vực, xem xét có thể bố trí việc phân cực anten như thế nào cho hợp lý. Khi sử dụng các thiết bị thì giá trị các tiêu chuẩn được chọn theo khuyến nghị của CCIR. Vẽ mặt cắt đường truyền và tính các thông số liên quan Tính khoảng cách tia truyền phía trên vật chắn Sau khi đã chọn được tần số làm việc cho tuyến, ta tính miền Fresnel thứ nhất. Đó là miền có dạng hình elip từ anten phát đến anten thu; là một môi trường vây quanh tia truyền thẳng. Đường biên của miền Fresnel thứ nhất tạo nên quỹ tích sao cho bất kì tín hiệu nào đi đến anten thu qua đường này sẽ dài hơn so với đường truyền trực tiếp một nửa bước sóng ((/2) của tần số sóng mang. Miền bên trong của elip thứ nhất này gọi là miền Fresnel thứ nhất. Nếu tồn tại một vật cản ở rìa của miền Fresnel thứ nhất thì sóng phản xạ sẽ làm suy giảm sóng trực tiếp, mức độ suy giảm tuỳ thuộc vào biên độ của sóng phản xạ. Do đó việc tính toán đối với miền Fresnel thứ nhất đòi hỏi có tính chính xác để việc thông tin giữa hai trạm không bị ảnh hưởng đáng kể bởi bước sóng phản xạ này. Bán kính của miền Fresnel thứ nhất (F1) được xác định theo công thức sau:
d1, d2 [km]: lần lượt là khoảng cách từ trạm A và trạm B đến điểm ở đó bán kính miền Fresnel được tính toán. D [km] là khoảng cách hai trạm, d=d1+d2 F là tần số sóng mang [Ghz]. Trong thực tế, thường gặp đường truyền đi qua những địa hình khác nhau có thể chắn miền Fresnel thứ nhất gây nên tổn hao trên đường truyền. ở các loại địa hình này có thể có vật chắn hình nêm trên đường truyền và các loại chướng ngại khác. Hình dưới chỉ ra mô hình của vật chắn trên đường truyền dẫn, trong đó F1 là bán kính miền Fresnel thứ nhất, F là khoảng hở thực; là khoảng cách giữa tia trực tiếp và một vật chắn hình nêm tại địa điểm tính toán miền Fresnel thứ nhất. Theo các chỉ tiêu thiết kế về khoảng hở đường truyền được khuyến nghị thì độ cao tối thiểu của anten phải đảm bảo sao cho tín hiệu không bị nhiễu xạ bởi vật chắn nằm trong miền Fresnel thứ nhất là F=0.577F1 (khoảng 60% F1→C=0,6)
3.Tính chọn chiều cao của tháp anten: Để tính chiều cao của tháp anten thì trước tiên phải xác định được độ cao của tia vô tuyến truyền giữa hai trạm. Trên cơ sở của độ cao tia đã có để tính độ cao tối thiểu của tháp anten để thu được tín hiệu. Biểu thức xác định độ cao của tia vô tuyến như sau: B=E(k) + (O+T) +CF1 =


Trong đó: d,d1,d2,f được dùng như trong công thức
k: là hệ số bán kính của quả đất,k=4/3.
c:là hệ sốhở ,C=1

Thông thường thì độ cao của tia B đ ược tính toán tại điểm có một vật chắn cao nhất nằm giữa tuyến. Tính độ cao của anten để làm hở một vạt chắn nằm giữa tuyến. Ở bước khảo sát, ta đã xác định độ cao của hai vị trí đặt trạm so với mặt nước biển tương ứng là h1 và h2. Ta sẽ tính độ cao của cột anten còn lại khi biết trước độ cao của một cột anten.
[m]
[m] ha
, ha
[m]: độ cao của một trong hai anten cần tính d1, d2 [km]: khoảng cách từ mỗi trạm đến vị trí đã tính toán độ cao của tia B h1, h2 : độ cao so với mực nước biển của trạm A và trạm B
Đây là sơ đồ biết ha1 để tính ha2
Đây là sơ đồ biết ha2 để tính ha1 Để đảm bảo cho hệ thống hoạt động không chịu ảnh hưởng của các yếu tố trong tương lai thì độ cao anten phải sử dụng một khoảng dự phòng:ph1 và ph2. Lúc đó độ dài thực của anten phải là: har1 = ha1 + ph1 [m]
[m] Với độ dự phòng từ 0,6- 5 m 4 :Tính toán các nhân tố ảnh hưởng và các tham số của đường truyền a.:Tính toán các nhân tố ảnh hưởng đến đường truyền: Công suất tín hiệu truyền giữa trạm phát và trạm thu bị suy hao trên đường truyền. sự mất mát công suất này do các yếu tố gây nhiễu đường truyền: + Độ dự trữ fadinh phẳng: tác động của fadinh là làm thay đổi mức ngưỡng thu của máy thu, khi bị ảnh hưởng của fadinh phẳng máy thu có thể nhận được tín hiệu rất yếu từ đường truyền và có thể làm gián đoạn thông tin nếu trường hợp fadinh. Độ dự trữ fadinh phẳng Fm (dB) liên quan đến mức tín hiệu thu không fadinh W0 (dB) và mức tín hiệu thu được thực tế thấp W(dBm) trước lúc hệ thống không còn hoạt động tính theo biểu thức: Fm = 10lg(W0/W)dB = [W0(dBm) – W(dBm) ] [dB] + Fadinh lựa chọn: chủ yếu ảnh hưởng đến các hệ thống viba số có dung lượng trung bình (34Mb/s) và dung lượng cao (140Mb/s) + Tiêu hao do mưa: cùng với fadinh là các ảnh hưởng truyền lan chủ yếu các tuyến vô tuyến tầm nhìn thẳng trên mặt đất làm việc ở các tần số trong dải tần GHz. Tiêu hao do mưa tăng nhanh theo sự tăng của tần số sử dụng đặc biệt với các tần số trên 35GHz thường suy hao nhiều , do đó để đảm bảo thì khoảng cách lặp phải nhỏ hơn 20Km. b.Tính toán các tham số của tuyến : Các tham số sử dụng trong tính toán đường truyền: mức suy hao trong không gian tự do, công suất phát, ngưỡng thu, các suy hao trong thiết bị… có vai trò quan trọng để xem xét tuyến có hoạt động được hay không và hoạt động ở mức tín hiệu nào. + Tổn hao không gian tự do (A0): là tổn hao lớn nhất cần phải xem xét. Đây là tổn hao do sóng vô tuyến lan truyền từ trạm này đến trạm kia trong môi trường không gian. A0 = 20lg
= 20lg
(
) A0 = 92,5 + 20lg(f) + 20lg(d) [dB] với f: tần số sóng mang [GHz] d: độ dài tuyến [km] + Tổn hao phi đơ: khi tính toán suy hao này thì phải căn cứ vào mức suy hao chuẩn được trước bởi nhà cung cấp thiết bị. Ví dụ: phi đơ sử dụng loại WC 109 có mức tiêu hao chuẩn là 4,5dB/100m và cộng với 0,3dB suy hao của vòng tròn để chuyển tiếp ống dẫn sóng thì tổn hao phi đơ máy phát (Ltxat) và máy thu (Lrxat) là: LTxat = 1,5har1.0,045 + 0,3 [dB] LRxat = 1,5har2.0,045 + 0,3 [dB] + Tổn hao rẽ nhánh: tổn hao này cũng được cho bởi nhà cung cấp thiết bị. Mức tổn hao này thường khoảng (2 – 8)dB. + Tổn hao hấp thụ trong khí quyển:khi tính toán mức suy hao này dựa theo các chỉ tiêu đã khuyến nghị ở các nước Châu Âu. Chẳng hạn đối với hệ thống thông tin vô tuyến 18,23 và 38GHz thì mức suy hao chuẩn Lsp0 được cho trong khuyến nghị vào khoảng 0,04dB/km – 0,19 dB/m khi đó tổn hao cho cả tuyến truyền dẫn được xác định là: Lsp = Lsp0.d Với d: khoảng cách của tuyến tính bằng km →Phương trình cân bằng công suất trong tính toán đường truyền: Pt = Pr + G – At [dB] Pt: là công suất phát At: tồn hao tổng = tổn hao trong không gian tự do + tổn hao phi đơ +tổn hao rẽ nhánh + tổn hao hấp thụ khí quyển G: tổng các độ lợi = dộ lợi của anten A + độ lợi của anten B Pr: công suất tại đầu vào máy thu 5.Tính toán các tham số chất lượng của tuyến Chất lượng đường truyền được đánh giá dựa trên tỷ số BER. Các tỷ số BER thường được sử dụng trong viba số là: BER = 10
và BER = 10
tương ứng với 2 mức ngưỡng RXa và RXb. a. Độ dự trữ pha dinh ứng với RXa và RXb là FMa và FMb: FMa = Pr – RXa với BER = 10
FMb = Pr – RXa với BER = 10
b.Xác suất pha dinh phẳng nhiều tia (P0) P0 = KQ.f
.d
Trong đó: KQ = 1,4.10
; B = 1 ; C = 3,5 là các tham số liên quan đến điều kiện lan truyền , sử dụng các giá trị theo khuyến nghị của CCIR. c. Xác suất đạt đến ngưỡng thu RXa ; RXb. Pa =
Pb =
Trong đó FMa và FMb là độ dự chữ pha dinh tương ứng với các tỷ số BER d. Khoảng thời gian pha dinh: Ta và Tb là các giá trị đặc trừng cho khoảng thời gian tồn tại pha dinh tương ứng với FMa và FMb : Ta = C2.10
.
Tb = C2.10
.
với C2 = 10,3d ;
;
lấy theo khuyến nghị. e. Xác suất pha dinh phẳng dài hơn 10 giây P(Ta
10) = P(10) = 0,5[1 – erf(Za) ] = 0,5erf(Za) P(Tb
60) = P(60) = 0,5[1 - erf(Zb) ] = 0,5erf(Zb) Với Za = 0.548ln(10/Ta) ; Zb = 0,548ln(10/Tb) Với erf(t) = 1 – erf(t) Trong đó: erf(t) =
là hàm sai số f. Xác suất BER vượt 10
: thể hiện sự gián đoạn thông tin nhưng trong thời gian không quá 10s. xác suất (BER > 10
) = P0.Pa = P0.10
g. Xác suất mạch trở nên không thể sử dụng được do pha dinh phẳng (Pu): Pu = P0.Pa.P(10) h. Khả năng sử dụng tuyến: được biểu thị bằng phần trăm và được xác định theo Pu: Av = 100(1 – Pu) i. Xác suất mạch có BER
: Xác suất (BER
) = P0.Pb = P0.