Các mô hình truyền sóng trong thông tin

Các mô hình truyền sóng trong thông tin di động.
Nhóm 5:
Nguyễn Tiến Đạt.
Hoàng Văn Pháp.
Đỗ Trung Đức.
Trần Xuân Bách.
Nội dung.
1. Phân loại mô hình truyền sóng trong thông tin di động.
2. Các mô hình Path Loss.
3. Các mô hình Shadowing.
1. Phân loại các mô hình truyền sóng.

Phân loại theo mục đích của các mô hình truyền sóng:

Mô hình truyền sóng phạm vi lớn (large – scale): Dự đoán cường độ tín hiệu
thu trung bình tại một điểm cách anten phát một khoảng cách tương đối lớn.

Mô hình truyền sóng phạm vi hẹp (small – scale): Nghiên cứu sự thăng giáng
của tín hiệu thu tại lân cận một vị trí cho trước.
1. Phân loại các mô hình truyền sóng.

Mô hình large – scale: khi khoảng cách máy thu – phát (cỡ vài trăm đến vài
nghìn met) tăng lên, cường độ tín hiệu tại điểm thu nhìn chung là giảm
xuống.

Mô hình small – scale: cường độ tín hiệu thăng giáng rất mạnh khi máy thu
di chuyển trong lân cận một điểm cho trước (lân cận cỡ vài bước sóng).
1. Phân loại các mô hình truyền sóng.

Phân loại theo các hiệu ứng gây ra biến đổi cường độ tín hiệu tại điểm
thu:


Mô hình suy hao (Path Loss).

Mô hình che khuất (Shadowing).

Mô hình đa đường (Multipath).
1. Phân loại các mô hình truyền sóng.

Các mô hình Path loss.

Path loss: suy hao đường truyền do tiêu tán công suất bức xạ của máy phát
cũng như do hiệu ứng truyền lan sóng điện từ trong không gian.

Path Loss: hoặc

Các mô hình Shadowing.

Shadowing: suy hao công suất tín hiệu do xuất hiện chướng ngại vật giữa máy
phát và máy thu.

Các mô hình Multipath.

Sự thay đổi ngẫu nhiên của kênh đa đường dẫn đến hiện tượng fading.
t
r
P
PL
P
=
( )

10log
t
r
P
PL dB
P
=
2. Các mô hình Path Loss.

Mô hình suy hao trong không gian tự do.

Mô hình hai tia.

Mô hình nhiễu xạ vật nhọn.

Mô hình RCS.

Các mô hình thực nghiệm ngoài trời.

Mô hình Okumura.

Mô hình Hata.

Mô hình COST 231.

Các mô hình thực nghiệm trong nhà.

Mô hình suy hao log – distance.

Mô hình hệ số suy hao.

2.1. Mô hình suy hao trong không gian tự do (free space
propagation).

Mô hình này thích hợp với các trường hợp mà không có vật cản trong tầm
nhìn thẳng giữa anten phát – thu. Ví dụ như hệ thống thông tin vệ tinh, các
tuyến thông tin vi ba trong tầm nhìn thẳng.

Công suất tín hiệu tại điểm thu tại một điểm trong trường khu xa của anten
phát là: với


Biểu thức suy hao:

Ý nghĩa của công thức này:

Cường độ trường tại điểm thu giảm khi khoảng cách giữa máy thu – phát tăng.

Khi tăng tần số truyền lan sóng, cự ly thông tin sẽ giảm.
( )
( )
2
2
2
10log 10log
4
t t r
r
P G G
PL dB
P

d L
λ
π
 
= = −
 
 
 
2
2
f
D
d d
λ
> =
2.1. Mô hình suy hao trong không gian tự do (free space
propagation).

Ví dụ 1: Một trạm BTS trong mạng GSM900 phát đẳng hướng với công
suất 50W. Cho rằng sóng điện từ lan truyền trong không gian theo mô
hình suy hao tự do.
a)
Tính công suất tín hiệu thu dưới dạng dBm ở điểm cách trạm BTS 100m.
b)
Tính công suất tín hiệu thu tại một điểm cách BTS 10km.
2.2. Mô hình hai tia.

Mô hình hình suy hao trong không gian tự do ít chính xác vì hiếm khi có
trường hợp mà máy thu chỉ nhận được một tia truyền thẳng từ máy phát. Mô
hình khác xây dựng gồm 1 tia LOS và 1 tia phản xạ mặt đất: mô hình hai tia.


Mô hình này dùng khi không có chướng ngại vật giữa anten phát và thu; mặt
đất coi là phẳng và dẫn điện tốt đối với sóng điện từ.

Công suất tín hiệu tại điểm thu cách máy phát một khoảng d:

Cường độ thành phần điện trường:
2.2. Mô hình hai tia.

Biểu thức suy hao:

Ý nghĩa: khi tăng chiều cao anten phát và/hoặc anten thu thì suy hao truyền
sóng sẽ giảm.
( ) ( ) ( )
40log 10log 20log
t r t r
PL dB d G G h h= − −
2.2. Mô hình hai tia.

Ví dụ 2: Một MS cách trạm BTS 5km và sử dụng một anten monopole một
phần tư bước sóng với tăng ích 2,55dB. Cường độ thành phần điện trường tại
khoảng cách tham chiếu 1km tính từ trạm BTS là 1mV/m. Biết tần số sóng
mang là 900MHz.
a)
Tính kích thước của anten mà MS sử dụng.
b)
Dùng mô hình 2 tia để tính công suất tín hiệu tại MS biết chiều cao của anten trạm
BTS là 50m và chiều cao của anten của MS so với mặt đất là 1,5m.
2.3. Mô hình nhiễu xạ vật nhọn.


Thực tế, có các vật cản chắn các tia LOS
và tia phản xạ từ mặt đất nên xây dựng
mô hình khác: mô hình nhiễu xạ vật
nhọn.

Tham số nhiễu xạ Fresnel:
( )
1 2
1 2
2 d d
v h
d d
λ
+
=
2.3. Mô hình nhiễu xạ vật nhọn.

Suy hao: PL = -Gd.
2.3. Mô hình nhiễu xạ vật nhọn.

Ví dụ 3: Tính toán suy hao do nhiễu xạ trong 3 trường hợp: h = 25m; h =
0; h = -25m. Biết rằng bước sóng điện từ là 1/3m, khoảng cách từ vật
nhiễu xạ tới máy phát và máy thu lần lượt là 1km và 1km.
2.4. Mô hình RCS.

Trong thực tế, tia sóng có thể đến gặp vật cản có bề mặt gồ ghề, bị tán xạ và
truyền tới máy thu.

RCS (Rada Cross Section) của vật thể tán xạ: Diện tích hiệu dụng tán xạ năng
lượng sóng điện từ. RCS càng lớn, vật thể càng dễ bị phát hiện bởi radar thu.

RCS đơn vị là m
2
.

RCS (dBm
2
) là diện tích tương đối của vật thể tán xạ so với 1m
2
tham chiếu.
2.4. Mô hình RCS.

Cường độ trường tại điểm thu:

Suy hao:
( ) ( ) ( )
( )
2
30log 4 20log 20log
T R T
PL d d G dBi RCS dBm
π λ
= + − − −
2 2
1
* * *
4 4
t t
r eff
t r
PG

P RCS A
d d
π π
=
2.5. Mô hình thực nghiệm ngoài trời.
2.5.1. Mô hình Okumura.

Là mô hình được áp dụng để tính cường độ tín hiệu trong dải
150MHz÷1920Mz tại khu vực đô thị. Mô hình áp dụng tính toán tại các
điểm trong phạm vi 1km÷100km và chiều cao anten trạm BTS là
30m÷1000m.

Suy hao:
2.5. Mô hình thực nghiệm ngoài trời.
2.5.1. Mô hình Okumura.
2.5. Mô hình thực nghiệm ngoài trời.
2.5.1. Mô hình Okumura.
Ví dụ 4: Anten của một trạm BTS có có chiều cao 100m phát sóng ở tần số
900MHz với công suất 1kW. Tính công suất tại điểm thu trong môi trường
ven đô biết nó cách BTS 50km và độ cao anten thu là 10m.
2.5. Mô hình thực nghiệm ngoài trời.
2.5.2. Mô hình Hata.

Là mô hình thực nghiệm áp dụng để tính cường độ tín hiệu trong dải 150MHz÷1500MHz. Chiều cao anten
trạm BTS từ 30÷200m, chiều cao anten MS 1÷10m. Mô hình áp dụng tính toán tại các điểm trong phạm vi
1km÷100km

Suy hao (đô thị):

Với a(h

re
) là hệ số tương quan của chiều cao anten MS.

Với đô thị vừa và nhỏ:

Với các đô thị lớn:
2.5. Mô hình thực nghiệm ngoài trời.
2.5.2. Mô hình Hata.

Suy hao (ven đô):

Suy hao (nông thôn):
2.5. Mô hình thực nghiệm ngoài trời.
2.5.3. Mô hình COST 231.

Mô hình này mở rộng của mô hình Hata cho phép tính toán cường độ tín hiệu trong dải
1,5GHz÷2GHz tại các điểm trong khoảng 1km÷20km.

Suy hao:
2.6. Mô hình thực nghiệm trong nhà.
2.6.1. Mô hình suy hao log – distance.
Suy hao truyền sóng trong nhà.
Với X
σ
là biến ngẫu nhiên chuẩn có độ lệch chuẩn σ.
Bậc suy hao n phụ thuộc vào kiểu nhà.
2.6. Mô hình thực nghiệm trong nhà.
2.6.1. Mô hình suy hao log – distance.