Đồ án tốt nghiệp về phủ sóng thông tin di động trong khu vực tòa nhà

Trờng Đại học Bách Khoa Hà Nội Đồ án tốt nghiệp cao học
Nguyễn Song Tùng- Cao học ĐTVT 2004
-1-




CHƯƠNG 1. CáC MÔ HìNH TRUYềN SóNG





Mục tiêu:


Tìm hiểu các mô hình truyền sóng.
Nắm vững phạm vi ứng dụng của các mô hình truyền sóng.
Có khả năng áp dụng kiến thức để phát hiện ra mô hình truyền
sóng mới.
Tính toán suy hao của tín hiệu vô tuyến trong các môi trờng.

Trờng Đại học Bách Khoa Hà Nội Đồ án tốt nghiệp cao học
Nguyễn Song Tùng- Cao học ĐTVT 2004
-2-

Phản xạ

Khúc xạ

Tán xạ

Tx

Rx

Hình 1.1 Các cơ chế lan truyền sóng điện từ

1.1 Nguyên lý truyền dẫn sóng điện từ.
1.1.1 Các cơ chế lan truyền sóng điện từ.
Lan truyền sóng điện từ đợc chia thành 3 cơ chế lan truyền cơ bản:
Phản xạ
Khúc xạ
Tán xạ

Phản xạ là cơ chế xảy ra khi sóng điện từ va đập vào vật thể có kích thớc
lớn hơn rất nhiều so với bớc sóng. Phản xạ sinh ra các sóng thứ cấp có thể
gây nhiễu với các sóng khác. Tuy nhiên, tại phía thu các tia sóng phản xạ có
thể gây tơng tác tích cực hoặc tiêu cực với nhau phụ thuộc vào pha của
chúng. Trong môi trờng di động, cơ chế này có thể xem nh là hiệu ứng

nhiều tia.
Khúc xạ là cơ chế xảy ra khi đờng truyền sóng bị che khuất một phần
bởi một vật thể. Trong trờng hợp này, sóng điện từ đợc xem nh là truyền
vòng qua cạnh của vật thể đến vùng không gian không thuộc miền truyền
thẳng (line of sight) từ phía phát. Trong thông tin vô tuyến, đây là thuộc tính
rất quan trọng. Nó làm tăng hiệu ứng che khuất và cho phép thiết kế một hệ
thống mạng di động với vị trí tơng đối của trạm gốc và máy di động luôn
thay đổi.
Trờng Đại học Bách Khoa Hà Nội Đồ án tốt nghiệp cao học
Nguyễn Song Tùng- Cao học ĐTVT 2004
-3-

Tán xạ là cơ chế xảy ra trong môi trờng truyền dẫn có chứa các vật thể
có kích thớc nhỏ hơn nhiều so với bớc sóng của tín hiệu. Cơ chế này làm
cho năng lợng của sóng điện từ sẽ bức xạ ra nhiều hớng khác nhau, công
suất tín hiệu sẽ bị suy hao.
1.1.2 Các hiệu ứng lan truyền sóng.
Lan truyền sóng điện từ trong môi trờng thực là một quá trình phức tạp,
đó là sự kết hợp của nhiều cơ chế lan truyền khác nhau. Tuy nhiên, nó đợc
mô hình hóa thành 3 loại hiệu ứng cơ bản sau:
Hiệu ứng nhiều tia.
Hiệu ứng che khuất.
Lan truyền qua tòa nhà và khu vực giao thông.
Hiệu ứng nhiều tia là hiệu ứng lan truyền sóng rất phổ biến trong môi
trờng di động. Nó là sự tổng quát hóa của cơ chế phản xạ hai tia. Trong thực
tế, lan truyền nhiều tia sẽ có hàng chục đến hàng trăm tín hiệu thành phần với
biên độ và pha ngẫu nhiên sẽ đến máy thu.
Đây là cơ chế phading nhanh, nó xuất hiện khi tín hiệu thu đợc từ rất
nhiều đờng truyền có pha biến đổi. Kết quả là pha sẽ loại trừ nhau một cách
ngẫu nhiên, gây ra phading nhanh, đôi khi rất sâu hoặc đôi khi biên độ tăng

lên nhiều lần, xuất hiện với khoảng cách là hệ số nguyên lần bớc sóng.
Phadinh nhanh đợc chia làm 2 loại. Đó là phading Rayleigh và Racian.
Khi một máy di động di chuyển qua một vùng phủ sóng, mỗi một cơ chế lan
truyền sẽ có ảnh hởng tức thời đến tín hiệu thu đợc.
Lấy ví dụ, nếu máy di động có một đờng truyền thẳng tới trạm gốc, thì
các cơ chế lan truyền khác sẽ không gây ảnh hởng đến tín hiệu thu đợc.
Đây là phân bố của phading Racian.
Ngợc lại, nếu từ máy di động đến trạm gốc không có đờng truyền thẳng,
thì các cơ chế lan truyền khác nh phản xạ, khúc xạ là đờng truyền tín hiệu
chính đến máy thu. Đây là phân bố của phading Rayleigh.
Trờng Đại học Bách Khoa Hà Nội Đồ án tốt nghiệp cao học
Nguyễn Song Tùng- Cao học ĐTVT 2004
-4-

Nói chung, chúng ta nên xem phading Rayleigh là trờng hợp tổng quát.
Phading Raycian chỉ là trờng hợp đặc biệt.












Hình 1.3 Pha ding Rayleigh.
Hình 1.2 Hiệu ứng lan truyền nhiều tia

BS
BS
MS
MS
Phading Rayleigh
Phading Raycian
Trờng Đại học Bách Khoa Hà Nội Đồ án tốt nghiệp cao học
Nguyễn Song Tùng- Cao học ĐTVT 2004
-5-

Hiệu ứng che khuất: sự thay đổi chậm trong suy hao đờng truyền gây ra
bởi sự che chắn hoặc che chắn một phần do kích thớc lớn của vật thể hoặc
đặc tính của địa hình. Sự che khuất thay đổi chậm đợc miêu tả bởi một phân
bố khác đợc gọi là phân bố loga. Đó là kết quả của cơ chế tán xạ trên một số
các vật thể, dẫn tới sự thay đổi ngẫu nhiên của tín hiệu.
Lan truyền qua tòa nhà và khu vực giao thông.
Máy di động có thể di chuyển khắp mọi nơi, trong tòa nhà cũng nh trên
các phơng tiện giao thông, trên mọi nẻo đờng. Để đảm bảo rằng cờng độ
tín hiệu đủ mạnh tới các máy di động, chúng ta cần phải tính toán suy hao
đờng truyền khi tín hiệu xuyên qua các vật thể. Vì có sự khác nhau của vật
liệu, hớng truyền, vị trí của vật thể nên rất khó có thể dự đoán chính xác suy
hao cho từng trờng hợp cụ thể. Vì vậy, chúng ta phải sử dụng các mô hình
thống kê.
Cụ thể là chúng ta muốn biết suy hao năng lợng trung bình của tín hiệu
khi đi qua vật thể. Dự đoán mức tín hiệu trong tòa nhà là rất phức tạp. Một tòa
nhà là sự tổ hợp của nhiều vật cản. Cơ chế lan truyền cơ bản đợc ứng dụng
cho tín hiệu lan truyền vào và bên trong tòa nhà là khúc xạ.
Mức tín hiệu bên trong tòa nhà chịu ảnh hởng của nhiều tham số khác
nhau. Đó là:

- Góc tới của tín hiệu từ trạm gốc đến tòa nhà.
- Hình dạng của cửa sổ.
- Đặc tính hấp thụ và phản xạ của bề mặt và tờng của tòa nhà.
- Sự bố trí sắp xếp và đặc tính của đồ vật bên trong.
- Sự thay đổi từ tầng nọ đến tầng kia so với vị trí của trạm gốc.
- Lan truyền trong các hộp kỹ thuật, giếng thang máy.
Mặc dù đã có một số nghiên cứu về lan truyền sóng trong tòa nhà, nhng
kết quả lại rất khác nhau. Cho nên hầu hết các kỹ s phải sử dụng đến phơng
Trờng Đại học Bách Khoa Hà Nội Đồ án tốt nghiệp cao học
Nguyễn Song Tùng- Cao học ĐTVT 2004
-6-

pháp thống kê dựa trên các phép đo thực tế, thay vì xác định một phơng thức
tiếp cận tổng quát.
1.2 Lan truyền trong không gian tự do.
Lan truyền trong không gian tự do khi tín hiệu chỉ truyền trên một đờng,
không có sự phản xạ cũng nh sự che chắn đờng truyền bởi vật thể. Về mặt
kỹ thuật, điều kiện để có lan truyền tự do là miền Fresnel thứ nhất không bị
che chắn bởi vật thể.
Nếu gọi d là bán kính miền Fresnel thứ nhất, là bớc sóng của tín hiệu,
D là khoảng cách từ trạm phát đến máy di động, ta có công thức tính bán kính
miền Fresnel thứ nhất nh sau:

Dd

2
1

(1-1)

Hình 1.4 Miền Fresnel thứ nhất.
Trong quá trình tính toán suy hao đờng truyền, lan truyền trong không
gian tự do đợc xem nh là một mô hình chuẩn. Các mô hình khác đợc xây
dựng trên mô hình chuẩn này và cố gắng tìm ra một cách tiếp cận tới một giá
trị suy hao dự đoán chính xác hơn.
Chúng ta bắt đầu với công thức tính suy hao sau:

2
4









d
L
fs
(1-2)
Trờng Đại học Bách Khoa Hà Nội Đồ án tốt nghiệp cao học
Nguyễn Song Tùng- Cao học ĐTVT 2004
-7-

Trong công thức này, d là khoảng cách giữa máy phát và máy thu.
là bớc sóng
Vì d và đều là tham số đo khoảng cách, nên kết quả của phép tính trên sẽ

là một giá trị phi khoảng cách.
Ta viết lại công thức trên theo các tham số thờng đợc sử dụng là tần số
(f) và khoảng cách với = c/f, trong đó f là tần số sóng mang (đơn vị là
MHz), c là vận tốc ánh sáng (c= 3.10
8
m/s).

2
4







c
df
L
fs

(1-3)
Chuyển đổi công thức này sang logarit, ta có:
L (dB) = 32.44 + 20lgf(MHz) + 20lgd(km) (1-4)
Ta muốn chuyển đổi công thức 1-3 sang dB, trong đó d đợc tính là km, f
là MHz, giá trị hằng số c = 3.10
8
m/s. Chúng ta phải chuyển đổi công thức
một cách hoàn hảo để đảm bảo rằng tham số của hàm loga không còn giá trị
đo khoảng cách.

s
m
x
MHz
Hz
f
km
m
d
s
m
x
fd
MHzkm
MHzkm
/
10
3
1
10
1
10
4
/
10
3
4
8
63
8

3
40
/
10
3
.104
8
9

df
s
m
x
Hzmdf




Chuyển đổi sang dB, ta có:
dfdBL
fs
lg20lg20
3
40
lg20)(









Phép tính này cho kết quả nh công thức 1.4 ở trên.
Trờng Đại học Bách Khoa Hà Nội Đồ án tốt nghiệp cao học
Nguyễn Song Tùng- Cao học ĐTVT 2004
-8-

1.3 Mô hình Okumura.
Trong các bản báo cáo của Okumura có chứa một tập các đờng cong
đợc xây dựng từ rất nhiều các phép đo đợc thực hiện từ năm 1962 đến 1965.
Mục đích của nó là miêu tả sự suy hao và sự thay đổi cờng độ trờng điện từ
theo sự thay đổi của địa hình.
Okumura muốn tính toán một cách hệ thống đối với các loại địa hình khác
nhau và các môi trờng khác nhau. Do vậy, ông đã phân loại địa hình và môi
trờng nh sau:
Địa hình:
- Địa hình bằng phẳng: là địa hình có các vật thể trên đó có chiều cao
trung bình không vợt quá 20m.
- Địa hình bất thờng: là các địa hình không thuộc địa hình bằng phẳng,
ví dụ nh địa hình có đồi núi.
Môi trờng:
- Khu vực mở: là vùng không gian trong đó không có cây cao, tòa nhà
cao tầng chắn ngang đờng truyền sóng. Địa hình thoáng đãng, không
có vật thể nằm cản đờng truyền đến máy di động trong phạm vi 300
đến 400m. Ví dụ nh khu vực cánh đồng, nông trang.
- Khu vực ngoại ô: Khu làng xã, đờng cao tốc với cây và nhà tha thớt.
Trong khu vực này có một số vật thể chắn nhng không che chắn hoàn
toàn.
- Khu vực thành phố: là khu vực có nhiều nhà cao tầng san sát nhau, dân
c đông đúc, cây cối trồng thành hàng sát nhau.
Công thức Okumura:
L
OKUMURA
= L
fs
+ A
m

(1-5)
Trong đó:
A
m
là hệ số suy hao dự đoán Okumura. A
m
đợc tra qua đồ thị
đờng cong.
Trờng Đại học Bách Khoa Hà Nội Đồ án tốt nghiệp cao học
Nguyễn Song Tùng- Cao học ĐTVT 2004
-9-

L
fs
: là suy hao lan truyền trong không gian tự do.
Ví dụ:
f = 800MHz. d = 10km
h
BS
= 200m h
MS
= 3m.
Từ đồ thị đờng cong dự đoán suy hao , ta có A
m
= 29dB.
Do đó, L
total
= L
fs
+ A

m
= 32,44 +20lg(800) + 20lg(10) + 29 = 139,5dB.

Hình 1.5 Đờng cong dự đoán suy hao.
Trờng Đại học Bách Khoa Hà Nội Đồ án tốt nghiệp cao học
Nguyễn Song Tùng- Cao học ĐTVT 2004
-10-

1.4 Mô hình Hata
Mô hình Hata xây dựng trên kinh nghiệm, đúc rút từ mô hình Okumura.
Mô hình Hata chuyển đổi các thông tin về suy hao đờng truyền có tính hình
học của mô hình Okumura sang công thức toán học.
Mô hình này đợc xây dựng dựa trên suy hao đờng truyền giữa các anten
isotropic, nhng nó cũng xét đến các thông số khác nh chiều cao của cột
anten trạm BTS, chiều cao của anten MS. Địa hình trong mô hình đợc giả
thiết là khá bằng phẳng, không có bất thờng.
Các điều kiện ràng buộc của mô hình Hata:
- Dải tần làm việc: 150 đến 1500MHz.
- Chiều cao của anten BTS: 30 đến 200m.
- Chiều cao của anten MS: 1 đến 10m.
- Khoảng cách giữa BTS và MS: 1 đến 20km.
Công thức Hata tính suy hao đờng truyền:
L
HATA
= 69,55 + 26,16logf
C
13,82logh
B
a(h
m

) + (44,9 6,55logh
B
) x
logR. (1-6)
Trong đó:
Đối với khu vực thành phố vừa và nhỏ:
a(h
m
) = (1,1logf
C
0,7)h
m
- (1,56logf
C
0,8

)
Đối với khu vực thành phố lớn:
a(h
m
) = 8,29(log1,54h
m
)
2
1,1 f
C
< 200MHz.
a(h
m
) = 3,2(log11,75h

m
)
2
4,97 f
C
> 400MHz.
Đối với khu vực ngoại ô:
L
HATA, Suburban
= L
HATA
2 (log(f
C
/28))
2
5,4.
Đối với khu vực trống:
L
HATA, Suburban
= L
HATA
4,78(logf
C
)
2
+ 18,33logf
C
40,94.

Trờng Đại học Bách Khoa Hà Nội Đồ án tốt nghiệp cao học
Nguyễn Song Tùng- Cao học ĐTVT 2004
-11-

Bảng 1.1 Bảng tham số Hata
Tham số Giải thích Phạm vi
f
C
Tần số (MHz) 150 ~ 1500
h
b
Chiều cao cột anten BTS (m) 30 ~ 200
h
m
Chiều cao anten MS (m) 1 ~ 10
R Khoảng cách BTS đến MS (km) 1 ~ 20
a(h
m
) Hệ số hiệu chỉnh

1.5 Mô hình COST231 Walfish Ikegami.
COST là chữ viết tắt của công ty chuyên nghiên cứu công nghệ và khoa
học trờng điện từ Châu Âu. COST là công ty kết hợp giữa nghiên cứu và
công nghiệp. Mục tiêu chính của COST là nghiên cứu bản chất của quá trình
lan truyền sóng điện từ trong dải tần VHF và UHF và phát triển các mô hình
kênh, lan truyền đã đợc chứng minh.
Dự án COST213 nghiên cứu tiến trình phát triển của hệ thống thông tin di
động mặt đất là một trong số rất nhiều dự án nghiên cứu của COST, nó là kết
quả của quá trình phát triển và mở rộng các mô hình lan truyền sóng. Lấy ví
dụ, mô hình Hata đợc mở rộng để có thể ứng dụng vào phạm vi truyền sóng

lên tới 100km, trên dải tần số từ 1,5 đến 2GHz. Đây chính là mô hình
COST213-Hata. Một mô hình khác đợc phát triển mở rộng, đó là COST231-
Walfish-Ikegami.
Các mô hình truyền sóng mà chúng ta đã đề cập ở phần trớc chỉ đợc áp
dụng cho đờng truyền sóng trực tiếp từ BTS đến MS. Những mô hình cổ điển
này đợc ứng dụng vào các cell lớn (macro Cell) với chiều cao lớn của cột
anten BTS. Kết quả là, các mô hình này không thể áp dụng vào các hệ thống
đang đợc triển khai hiện nay, với đờng truyền ngắn hơn 1km và rất hiếm
đờng truyền thẳng trực tiếp LOS.
Mô hình COST231-Walfish-Ikegami ớc lợng suy hao đờng truyền
trong môi trờng đô thị, với dải tần làm việc từ 800 đến 2000MHz. Mô hình
Trờng Đại học Bách Khoa Hà Nội Đồ án tốt nghiệp cao học
Nguyễn Song Tùng- Cao học ĐTVT 2004
-12-

này đợc áp dụng cho cả đờng truyền thẳng LOS và đờng truyền gián tiếp
NLOS. Đối với đờng truyền LOS, mô hình sẽ đợc chuyển đổi về lan truyền
trong không gian tự do. Đối với đờng truyền NLOS, mô hình sẽ đợc bổ
sung thêm 2 điều kiện về suy hao. Điều kiện thứ nhất là suy hao nhiều bề mặt,
nguyên nhân gây ra bởi tín hiệu lan truyền từ BTS qua các mái nhà. Điều kiện
thứ hai gây ra bởi suy hao khúc xạ và tán xạ tại mái, cạnh tòa nhà, góc phố nơi
máy mobile đang ở đó.
Có 3 thành phần cần quan tâm đến trong mô hình:
-
Suy hao lan truyền trong không gian tự do L
fs
- Suy hao nhiều bề mặt L
ms

- Suy hao khúc xạ và tán xạ từ mái nhà đến đờng phố L

rts
.
Điều kiện ứng dụng của mô hình là cho đờng truyền sóng vô tuyến trong
khu vực đô thị.
- Tần số làm việc f
C
: 800 đến 2000MHz.
- Chiều cao cột anten BTS h
b
: 4 đến 50m.
- Chiều cao anten MS h
m
: 1 đến 3m.
- Khoảng cách từ BTS đến MS: 20 đến 5km.
Công thức COST231-Walfish-Ikegami :
L
fs
+ L
ms
+ L
rts

L
COST
= L
fs
Nếu L
ms
+ L
rts

< 0 (1-7)
Chú ý: khi suy hao do khúc xạ và suy hao bề mặt nhỏ hơn hoặc bằng 0, thì
mô hình sẽ chuyển về suy hao lan truyền trong không gian tự do.
Trớc khi kiểm tra lại công thức, chúng ta phải định nghĩa một số tham số
phụ đợc sử dụng trong công thức.
- Độ rộng của đờng phố W (m).
- Khoảng cách giữa các tòa nhà dọc theo đờng truyền b (m).
- Chiều cao của tòa nhà h
roof
(m).
- h
m
= h
roof
h
m
; h
b
= h
b
- h
roof

Trờng Đại học Bách Khoa Hà Nội Đồ án tốt nghiệp cao học
Nguyễn Song Tùng- Cao học ĐTVT 2004
-13-

- Góc tới tạo với chiều của đờng phố (độ).
Các công thức tính suy hao chính:
Suy hao trong không gian tự do:

L
fs
= L (dB) = 32.44 + 20logf(MHz) + 20logd(km)
Suy hao khúc xạ và tán xạ:
L
rts
= -16,9 10logW + 10logf
C
+ 20logh
m
+ L

.
Suy hao đa bề mặt:
L
ms
= L
bsh
+ k
a
+ k
d
logd + k
p
logf
C
9logb.
Các tham số phụ trong mô hình.
Suy hao hớng phố:

00
00
00
9055
5535
350
)55(114,00,4
)35(075,05,2
345,010


















khi
khi
khi

L
ori


Hình 1.6 Các tham số trong mô hình Walfish- Ikegami.
Trờng Đại học Bách Khoa Hà Nội Đồ án tốt nghiệp cao học
Nguyễn Song Tùng- Cao học ĐTVT 2004
-14-

Bảng 1.2 Các giá trị ngầm định các tham số trong mô hình
Tham số
ý nghĩa
Giá trị
b Khoảng cách giữa các tòa nhà.

20 đến 50m
w Độ rộng đờng phố b/2
h
roof
Chiều cao tòa nhà 3m x số tầng

Góc tới 90 độ

1.6 Mô hình và các đặc tính fading
Lan truyền sóng vô tuyến là một quá trình phức tạp đợc mô tả bởi rất
nhiều hiệu ứng khác nhau nh lan truyền nhiều tia hay che khuất. Một sự mô
tả toán học chính xác cho hiện tợng này hoặc là không thành công, hoặc là
quá phức tạp. Tuy nhiên, những nỗ lực đáng kể đó đã tìm ra một hình thống kê
và đặc tính của các hiệu ứng khác nhau. Kết quả là chúng ta có một loạt các
mô hình thống kê khá chính xác và đơn giản cho các kênh fading trong các

môi trờng truyền dẫn khác nhau. Mục đích của phần này là tổng kết một
cách ngắn ngọn các mô hình và đặc tính quan trọng của các kênh fading.
1.6.1 Các tính chất quan trọng của kênh fading.
1.6.1.1 Sự biến động về pha và biên độ.
Khi một tín hiệu thu đợc bị ảnh hởng của fading trong quá trình truyền,
cả pha và biên độ của tín hiệu sẽ bị biến đổi theo thời gian. Đối với các
phơng pháp điều chế chặt chẽ, ảnh hởng của fading đến pha có thể làm
giảm hiệu suất nghiêm trọng, trừ khi các biện pháp bù pha đợc áp dụng tại
đầu thu. Thông thờng, việc sử dụng các bộ phân tích hệ thống trong điều chế
cho rằng sự ảnh hởng của pha gây ra bởi phading sẽ đợc hiệu chỉnh chính
xác tại phía thu, đây đợc xem nh là phơng pháp điều chế chặt chẽ. Đối với
các phơng pháp điều chế không chặt chẽ, thông tin về pha sẽ không đợc cần
đến ở phía thu. Do đó, sự biến động về pha gây ra bởi phading sẽ không làm
giảm hiệu suất hoạt động.
Trờng Đại học Bách Khoa Hà Nội Đồ án tốt nghiệp cao học
Nguyễn Song Tùng- Cao học ĐTVT 2004
-15-

1.6.1.2 Phading nhanh và chậm.
Sự phân biệt giữa phading nhanh và chậm là rất quan trọng trong các mô
hình toán học của kênh phading và việc đánh giá hiệu suất của các hệ thống
viễn thông hoạt động trên các kênh này. Khái niệm này liên quan đến thời
gian liên kết kênh (coherence time T
c
), đợc đo bằng khoảng thời gian mà quá
trình phading xảy ra. Thời gian liên kết cũng liên quan đến kênh trải phổ
Doppler, f
d
nh sau:
d

C
f
T
1

(1-8)
Phading đợc gọi là chậm nếu khoảng thời gian ký hiệu nhỏ hơn thời gian
liên kết của kênh T
C
. Ngợc lại, nó đợc gọi là phading nhanh. Trong phading
chậm, một giá trị phading xác định có ảnh hởng rất nhiều tới các ký hiệu liền
nhau. Nó là nguyên nhân dẫn tới sự lỗi cụm. Trong phading nhanh, phading
gây ra tơng quan giữa các ký hiệu. Khi các quyết định tại phía thu đợc thực
hiện dựa trên sự quan sát tín hiệu thu đợc trong khoảng thời gian của 2 hay
nhiều ký hiệu thì sự thay đổi của kênh phading từ khoảng thời gian của một ký
hiệu tới ký hiệu tiếp theo phải đợc tính đến. Điều này đợc thực hiện thông
qua các mô hình tơng quan và phụ thuộc vào môi trờng truyền dẫn cụ thể.

1.6.1.3 Phading phẳng và phading chọn tần.
Chọn tần cũng là một thuộc tính rất quan trọng trong phading. Nếu tất cả
các thành phần phổ của tín hiệu phát bị ảnh hởng cùng một phơng thức thì
ta gọi đó là phading phẳng. Trong trờng hợp này các hệ thống băng hẹp,
trong đó băng thông của tín hiệu phát nhỏ hơn nhiều so với băng thông liên
kết của kênh f
c
. Băng thông này đợc đo bằng độ rộng dải tần số mà quá trình
phading diễn ra tơng quan. Nó cũng đợc định nghĩa là băng thông tần số
trong đó chức năng tơng quan của hai mẫu của hai kênh đáp ứng tại cùng
Trờng Đại học Bách Khoa Hà Nội Đồ án tốt nghiệp cao học
Nguyễn Song Tùng- Cao học ĐTVT 2004

-16-

một thời điểm, nhng tại các tần số khác nhau. Ngoài ra, băng thông liên kết
còn liên quan đến trễ trải rộng cực đại,
max
.

max
1


C
f
(1-9)
Mặt khác, nếu các thành phần phổ của tín hiệu phát bị ảnh hởng bởi hệ số
tăng ích biên độ và dịch pha khác nhau, thì phading đó đợc gọi là phading
lựa chọn tần số. Phading này đợc áp dụng vào các hệ thống băng thông rộng
trong đó băng thông của tín hiệu phát lớn hơn băng thông liên kết của kênh.

1.6.2 Mô hình kênh phading phẳng.
Khi phading ảnh hởng đến các hệ thống băng thông hẹp, biên độ của
sóng mang thu đợc bị điều chế theo biên độ của phading , trong đó là RV
có giá trị trung bình bình phơng
2


, và hàm mật độ xác suất (PDF)
p

() phụ thuộc vào tính chất tự nhiên của môi trờng truyền dẫn. Sau khi bị

ảnh hởng của phading trên đờng truyền, tín hiệu bị xáo trộn tại phía thu bởi
nhiễu nền Gaussian (AWGN). Nhiễu AWGN đợc giả thiết là có tính độc lập
thống kê với biên độ phading và nó đợc mô tả bằng hàm mật độ phổ công
suất một phía (W/Hz). Nói một cách tơng đơng, công suất tín hiệu thu đợc
tức thời bị điều chế bởi
2
. Do vậy, chúng ta định nghĩa hệ số tức thời của tín
hiệu trên tạp âm SNR và ký hiệu là
oS
NE /
2


và hệ số SNR trung bình trên
ký hiệu
0
/ NE
S


, trong đó E
S
là năng lợng của một ký hiệu. Ngoài ra,
hàm PDF của đợc xác định bằng cách thêm vào một tham số biến đổi
trong biểu thức của phading PDF p

().
Ta có:

2
)(
)(p
p
(1-10)
Trờng Đại học Bách Khoa Hà Nội Đồ án tốt nghiệp cao học
Nguyễn Song Tùng- Cao học ĐTVT 2004
-17-

Hàm sinh tức thời (MGF) M

(s) kết hợp với hàm PDF p

() đợc viêt nh
sau:




desM
3
0
)(p)(

(1-11)
Hàm M

(s) là một đặc tính thống kê quan trọng khác của kênh phading.
Ngoài ra, số lợng phading (hệ số phading) AF liên quan đến hàm PDF nh
sau:







2
22
2
22
22
2
)(
)()()(
)(
)var(

E
EEE
E
AF





(1-12)
trong đó: E[ ] là hàm thống kê trung bình, var( ) là tham số.
Phần tiếp theo chúng ta sẽ tìm hiểu ảnh hởng của các môi trờng lan
truyền khác nhau đến kênh phading và các hàm tơng ứng nh PDF, MGF và
AF, cũng nh mối quan hệ với các kênh vật lý.

1.6.2.1 Phading nhiều tia.
Phading nhiều tia gây ra sự kết hợp tích cực và tiêu cực của tín hiệu thu
tổng hợp sau khi trải qua các hiệu ứng phản xạ, khúc xạ, tán xạ và trễ một
cách ngẫu nhiên. Loại phading này là phading nhanh, thể hiện cho sự thay đổi
của tín hiệu trong khoảng thời gian ngắn. Phading nhiều tia phụ thuộc nhiều
vào môi trờng lan truyền tự nhiên, và có rất nhiều mô hình thống kê miêu tả
trạng thái đờng biên phading.
Trong đó có các mô hình sau:
- Mô hình Rayleigh.
- Mô hình Nakagami-q.
- Mô hình Nakagami-n.
- Mô hình Nakagami-m.
Trờng Đại học Bách Khoa Hà Nội Đồ án tốt nghiệp cao học
Nguyễn Song Tùng- Cao học ĐTVT 2004
-18-

1.6.2.2 Hiệu ứng che khuất hàm log.
Trong hệ thống thông tin di động mặt đất, chất lợng đờng truyền cũng
bị ảnh hởng bởi sự thay đổi chậm của mức tín hiệu do hiện tợng che khuất
đờng truyền tín hiệu, gây ra bởi địa hình, tòa nhà, cây cối. Hoạt động của hệ
thống thông tin sẽ chỉ phụ thuộc vào hiệu ứng che khuất nếu phía thu có khả
năng lọc đợc giá trị trung bình của phading nhanh nhiều tia hoặc nếu phía
thu sử dụng hệ thống thu phân tập để hạn chế ảnh hởng của hiệu ứng nhiều
tia. Dựa trên các phép đo thực tế, các nhà nghiên cứu đã đạt đợc một sự
thống nhất chung là hiệu ứng che khuất có thể đợc mô hình hóa bằng hàm
phân bố log cho các môi trờng truyền dẫn trong nhà và ngoài trời.

1.6.2.3 Phading nhiều tia, che khuất kết hợp.
Môi trờng phading nhiều tia và che khuất kết hợp bao gồm phading nhiều
tia chồng đè lên phading che khuất log. Trong môi trờng này, phía thu sẽ
không tách đợc giá trị trung bình đờng biên. Đây là kịch bản của khu vực
thành phố đông đúc, với sự di chuyển chậm của ngời và phơng tiện. Kiểu
phading tổ hợp này cũng đợc thấy ở hệ thống thông tin di động vệ tinh.
Chúng ta có hai cách tiếp cận để tìm ra sự phân bố tổ hợp. Chúng ta có thể sử
dụng hàm PDF gamma/log-normal do Ho và Stillber tìm ra. Hàm PDF này
phát triển từ hàm Nakagami-m trong môi trờng che khuất và đợc thêm vào
giá trị công suất tín hiệu phân bố gamma.


Trêng §¹i häc B¸ch Khoa Hµ Néi §å ¸n tèt nghiÖp cao häc
NguyÔn Song Tïng- Cao häc §TVT 2004
-19-

Trờng Đại học Bách Khoa Hà Nội Đồ án tốt nghiệp cao học
Nguyễn Song Tùng- Cao học ĐTVT 2004
-20-

1.6.3 Mô hình kênh phading chọn tần.
Khi tín hiệu băng thông rộng lan truyền qua kênh phading chọn tần, phổ
của tín hiệu sẽ bị ảnh hởng bởi hàm biến đổi kênh gây ra sự phân tán theo
thời gian của dạng sóng. Loại phading này có thể đợc mô hình hóa bằng bộ
lọc tuyến tính, đợc miêu tả bởi bộ lọc thông thấp phức tạp, có đáp ứng xung
nh sau:




p
l
L
l
l
l
l
teth
1
)()(


(1-13)
Trong đó:
( ) là hàm Dirac delta.
l là chỉ số kênh.

(
l
)
l=1L
Lp
, (
l
)
l=1L
Lp
, (
l
)
l=1L
Lp
là các hàm biên độ, pha và trễ kênh
ngẫu nhiên tơng ứng.
Trong công thức trên, L
P
là số lợng các đờng truyền (đờng truyền đầu
tiên đợc xem nh là đờng chuẩn, có thời gian trễ
l
= 0), và nó liên quan đến
thời gian trễ cực đại trên thời gian của một ký hiệu. Với giả thiết là môi trờng
phading chậm, L
P
đợc coi là hằng số trong một khoảng thời gian xác định,
(
l
)

l=1L
Lp
, (
l
)
l=1L
Lp
, (
l
)
l=1L
Lp
cũng là tham số bất biến trong khoảng thời gian
của ký hiệu. Nếu các đờng truyền khác của đáp ứng xung đợc tạo ra bởi tán
xạ, chúng sẽ có xu hớng thể hiện hạn chế tơng quan, và để thích hợp trong
trờng hợp này, chúng ta phải giả thiết rằng (
l
)
l=1L
Lp
là độc lập thống kê với
hàm RV.
Nếu mở rộng khái niệm của phading phẳng, biên độ phading
1
của đờng
truyền thứ l đợc giả thiết là 1 RV, mà giá trị trung bình bình phơng của nó
2

đợc định nghĩa thông qua
l

và hàm PDF của nó p

() có thể là một
trong số các hàm PDF đợc đề cập ở phần trên. Cũng giống nh trong trờng
hợp kênh phading phẳng, sau khi đi qua kênh phading, tín hiệu băng thông
Trờng Đại học Bách Khoa Hà Nội Đồ án tốt nghiệp cao học
Nguyễn Song Tùng- Cao học ĐTVT 2004
-21-

rộng bị xáo trộn bởi AWGN với mật độ phổ công suất một phía No(W/Hz).
Hàm AWGN đợc giả thiết là độc lập với biên độ phading (
l
)
l=1L
Lp
. Do vậy tỉ
số tức thời SNR với ký hiệu của kênh thứ l đợc tính nh sau:
l
=
l
2
E
S
/N
0
,
và tỉ số trung bình SNR với ký hiệu của kênh thứ l đợc tính là :
0
/ NE
Sll

.
Tín hiệu trên đờng truyền đầu tiên đến phía thu sẽ chịu ảnh hởng của
phading ít hơn so với các đờng truyền khác vì năng lợng thành phần sẽ giảm
theo độ trễ của tín hiệu. Tín hiệu trên đờng truyền cuối cùng bị ảnh hởng
của phading nhiều nhất. Hàm số (
l
)
l=1L
Lp
liên quan đến trễ công suất của
kênh PDP. Mô hình PDP đợc mô tả theo nhiều dạng khác nhau, phụ thuộc
vào môi trờng truyền dẫn indoor hay outdoor, và các điều kiện truyền dẫn.
Mô hình PDP indoor lại đợc chia thành PDP cho tòa nhà văn phòng, nhà máy
có nhiều máy móc, Lấy ví dụ, các phép đo thực tế đã chỉ ra rằng, kênh
thông tin di động đợc miêu tả chính xác nhất thông qua hàm PDF suy giảm
hàm mũ cho môi trờng lan truyền là tòa nhà văn phòng và khu đô thị đông
đúc.
max
/
1

l
e
l


l = 1, 2, , L
P

Trong đó,
1
là công suất phading trung bình tơng ứng với đờng lan
truyền tín hiệu thứ nhất,
max
là trễ lan truyền cực đại.









Trờng Đại học Bách Khoa Hà Nội Đồ án tốt nghiệp cao học
Nguyễn Song Tùng- Cao học ĐTVT 2004
-22-





CHƯƠNG 2. MÔ HìNH TRUYềN SóNG trong nhà




Mục tiêu

Tìm hiểu nguyên lý lan truyền tín hiệu di động trong môi trờng
truyền dẫn trong nhà.
Đánh giá đợc mức độ phủ sóng của trạm phát sóng ngoài trời đối
với một tòa nhà cao tầng.
Sự cần thiết phải xây dựng hệ thống phủ sóng tín hiệu cho các công
trình xây dựng cao tầng, công trình ngầm.










Trờng Đại học Bách Khoa Hà Nội Đồ án tốt nghiệp cao học
Nguyễn Song Tùng- Cao học ĐTVT 2004
-23-

2.1 Các mô hình thực nghiệm.
2.1.1 Truyền sóng bên ngoài vào trong tòa nhà.
Trong những năm gần đây, công nghệ thông tin di động đánh dấu sự phát
triển bùng nổ của các thiết bị di động cá nhân cả về số lợng lẫn chủng loại.
Việc lập kế hoạch mạng viễn thông là vấn đề cần thiết để theo kịp với sự phát
triển này. Trong thông tin di động, các nhà chuyên môn lấy yếu tố suy hao
đờng truyền tín hiệu trong tòa nhà để đánh giá chất lợng cho từng mạng di
động. Các vấn đề của mô hình lan truyền tín hiệu trong nhà rất khác nhau và
phức tạp. Cụ thể là:

* Đó là môi trờng truyền dẫn 3 chiều. Bởi vì với một khoảng cách xác
định từ BTS đến MS, chúng ta phải quan tâm đến yếu tố chiều cao, nó phụ
thuộc vào số tầng của tòa nhà. Trong khu vực thành thị, chúng ta dễ nhận thấy
rằng tín hiệu sẽ có đờng truyền thẳng LOS từ BTS đến MS khi MS đang ở các
tầng cao của tòa nhà, trong khi nếu MS ở các tầng thấp hay trên phố, đờng
truyền LOS rất khó đạt đợc.
* Môi trờng truyền dân bên trong tòa nhà trong đó chứa nhiều vật cản.
Những vật cản này đợc làm từ nhiều loại vật liệu khác nhau, và có vị trí rất
gần với máy di động. Với môi trờng nh vậy, đặc tính lan truyền của tín hiệu
sẽ thay đổi rất nhiều so với môi trờng ngoài trời.
* Chúng ta đã có rất nhiều các công trình nghiên cứu về lan truyền tín hiệu
từ ngoài vào bên trong tòa nhà, đặc biệt với các dải tần số sử dụng cho mạng
di động. Các công trình nghiên cứu này đợc chia thành 2 loại sau:
- Loại thứ nhất nghiên cứu trong môi trờng có chiều cao trạm BTS từ 3
đến 9m và máy di động chủ yếu di chuyển trong các tòa nhà cao 1 hoặc
2 tầng nằm ở ngoại ô.
- Loại thứ hai nghiên cứu trong môi trờng có chiều cao trạm BTS tơng
đơng với trong mạng di động cellular và máy di động di chuyển trong
các tòa nhà cao tầng.
Trờng Đại học Bách Khoa Hà Nội Đồ án tốt nghiệp cao học
Nguyễn Song Tùng- Cao học ĐTVT 2004
-24-

Các nghiên cứu cho loại thứ nhất xuất phát từ hệ thống điện thoại vô tuyến
cầm tay vì hệ thống này phục vụ cho một số lợng lớn các thiết bị cầm tay
công suất thấp, có bán kính cell nhỏ (< 1km). Trong hệ thống này, việc phủ
sóng cho một tòa nhà cao tầng đợc thực hiện thông qua rất nhiều cell nhỏ
nằm trong tòa nhà. Đó là lý do tại sao các nghiên cứu lại sử dụng chiều cao
của anten thấp, khoảng cách từ BTS đến MS nhỏ hơn 1km, và các phép đo
đợc tiến hành trong nhà.

Trong mạng thông tin di động cellular, anten của các trạm thu phát
macrocell thờng đợc đặt trên mái nhà của tòa nhà cao tầng nên thờng có
chiều cao từ 60 đến 100m so với mặt đất và bán kính cell lớn nhất có thể tới
30km. Do vậy chúng ta không thể áp dụng các kết quả nghiên cứu của loại thứ
nhất vào hệ thống này. Tuy nhiên, các nghiên cứu này cũng chỉ ra rằng tín
hiệu trong các khu vực nhỏ nh trong tòa nhà có phading Rayleigh phân bố
xấp xỉ với phading hàm log. Nói cách khác, hàm thống kê tín hiệu trong tòa
nhà có thể đợc mô hình nh là sự xếp chồng của quá trình small-scale
(Rayleigh) và large-scale (lognormal)- là các mô hình truyền sóng ngoài trời
cho khu vực thành thị. Mức tín hiệu luôn thay đổi theo chiều cao của anten và
chịu ảnh hởng của sự phản xạ từ mặt đất.
Các kết quả nghiên cứu đã đa ra công thức suy hao của tín hiệu:
L = S + 10nlogd (2-1)
Trong đó:
S là hằng số, S = 32.0 @ 900MHz = 38.0 @ 1800MHz.
d là khoảng cách giữa máy phát và máy thu.
Các phép đo thực nghiệm đợc thực hiện bằng cách sử dụng một máy thu
đợc đặt cố định và một máy phát cầm tay di chuyển khắp mọi vị trí trong tòa
nhà, đã cho thấy giá trị của tham số n trong công thức (2-1) sẽ là 4,5; 3,9; 3,0
và 2,5 cho các vị trí tơng ứng là bên ngoài tòa nhà, tại tầng 1, tại tầng 2 và tại
tầng hầm.
Trờng Đại học Bách Khoa Hà Nội Đồ án tốt nghiệp cao học
Nguyễn Song Tùng- Cao học ĐTVT 2004
-25-

Trong khi đó, các nghiên cứu của loại thứ hai lại liên quan đến các đặc
tính thống kê của suy hao tín hiệu trong nhà. Một công trình đầu tiên đợc
giới thiệu bởi Rice, đã chỉ ra sự khác nhau giữa tín hiệu trung bình tại tầng
khảo sát của tòa nhà với mức tín hiệu trung bình bên ngoài tòa nhà, trên phố
nằm kề với tòa nhà. Rõ ràng là có hai khả năng xảy ra, hoặc là ta có thể thực

hiện các phép đo trên đờng phố nằm xung quanh tòa nhà để tìm đợc mức tín
hiệu trung bình bên ngoài tòa nhà, nh Rice đã đa ra, hoặc là ta có thể lấy kết
quả của phép đo tức thời bên ngoài tòa nhà tại vị trí nằm trên đờng thẳng nối
từ tâm tòa nhà đến vị trí máy phát.
Phơng pháp thứ hai sẽ chính xác hơn nếu tồn tại một đờng truyền LOS
giữa máy phát và tòa nhà. Nhng trờng hợp này rất ít khả năng vì tín hiệu
truyền vào trong tòa nhà qua rất nhiều đờng truyền tán xạ, nên phơng pháp
một mang tính thực tiễn hơn. Phơng pháp phân tích số liệu cũng rất khác
nhau. Mặc dù trong hầu hết các nghiên cứu, tín hiệu đợc lấy mẫu tại theo
từng khoảng thời gian và từng vị trí. Nhng nhìn chung, các phơng pháp khác
nhau này không làm ảnh hởng đến giá trị trung bình phép đo suy hao tín hiệu
trong tòa nhà.
Vì những lí do này, chúng ta đôi khi rất khó so sánh kết quả của các công
trình nghiên cứu. Suy hao phụ thuộc rất nhiều các yếu tố, nhng chủ yếu là
phụ thuộc vào tần số, điều kiện lan truyền và chiều cao của máy thu trong tòa
nhà. Tuy nhiên, một số yếu tố khác cũng có ảnh hởng đến suy hao tín hiệu
nh hớng của tòa nhà so với anten BTS, cấu trúc tòa nhà (vật liệu xây nhà, số
lợng và kích thớc cửa sổ) và cách bố trí vật dụng trong tòa nhà. Trong hầu
hết các mô hình để dự đoán cờng độ tín hiệu trong tòa nhà đều sử dụng
phơng pháp kỹ thuật đợc đa ra bởi Rice. Cụ thể là trớc tiên, chúng ta dự
đoán mức tín hiệu trung bình trên các con phố nằm xung quanh tòa nhà, sau
đó cộng thêm phần suy hao bởi tòa nhà.