Slide mo hình truyền sóng OKUMURA

TIỂU LUẬN

Môn: Trường Điện Từ -
Truyền Sóng – Anten


Mô hình Okumura

MỤC LỤC
Mở đầu
Chương 1 : Tổng quan về truyền sóng
1. Nguyên lý truyền dẫn sóng điện từ
2. Suy hao đường truyền trên các địa hình
Chương 2 : Một số mô hình truyền sóng
1. Các mô hình truyền song
1. Mô hình Okumura
2. Mô hình Hata
3. Mô hình Cost 231
2. So sánh
Chương 3 : Mô hình Okumura và ứng dụng
Mở đầu
Hệ thống thông tin di động toàn cầu (tiếng Anh: Global System for Mobile Communications; viết tắt: GSM).
Là một công nghệ dùng cho mạng thông tin di động. Dịch vụ GSM được sử dụng bởi hơn 2 tỷ người trên 212 quốc gia và vùng lãnh thổ. Các mạng thông tin di
động GSM cho phép có thể roaming với nhau do đó những máy điện thoại di động GSM của các mạng GSM khác nhau ở có thể sử dụng được nhiều nơi trên
thế giới.
GSM là chuẩn phổ biến nhất cho điện thoại di động (ĐTDĐ) trên thế giới. Khả năng phú sóng rộng khắp nơi của chuẩn GSM làm cho nó trở nên phổ biến trên
thế giới, cho phép người sử dụng có thể sử dụng ĐTDĐ của họ ở nhiều vùng trên thế giới. Các mạng di động GSM hoạt động trên 4 băng tần. Hầu hết thì hoạt
động ở băng 900 MHz và 1800 MHz.
Các mạng sử dụng băng tần 900 MHz thì đường lên (từ thuê bao di động đến trạm truyền dẫn uplink) sử dụng tần số trong dải 890–915 MHz và đường xuống
downlink sử dụng tần số trong dải 935–960 MHz

Chương 1 : Tổng quan về truyền sóng
1. Nguyên lý truyền dẫn sóng điện từ.
1.1 Các cơ chế lan truyền song điện từ.
Lan truyền sóng điện từ được chia thành 3 cơ chế cơ bản :
Phản xạ là hiện tượng xảy ra khi song điện từ và đập vào vật thể có kích thước lớn hơn rất nhiều so với bước sóng.
Khúc xạ là cơ chế xảy ra khi đường truyền sóng bị che khuất một phần bởi một vật thể . Trong thong tin vô tuyến đây là thuộc tính rất quan trọng. Nó làm
tang hiệu ứng che khuất và nó cho phép thiết kế một hệ thống mạng di động với vị trí của trạm gốc với hay di động luôn thay đổi.
Tán xạ là cơ chế truyền dẫn trong trong môi trường có chứa vật thể nhỏ hơn nhiều so với bước sóng tín hiệu.
1.2 Các hiệu ứng lan truyền sóng
Lan truyền sóng điện từ trong môi trường thực là một quá trình phức tạp, đó là sự kết hợp của nhiều cơ chế lan truyền khác nhau. Tuy nhiên, nó được 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.
Hình 1.1.2 : Hiệu ứng lan truyền nhiều tia
Hình 1.1.3 : Phading Rayleigh
Hình 1.1.3 : Phading Rayleigh
2.1 Suy hao trên địa hình bằng phẳng
Khi tín hiệu lan truyền phía trên một mặt bằng phẳng phản xạ toàn phần có thể xảy ra và thường dẫn đến một góc phản xạ tới máy thu di
động.
Hinh 1.2.1. Tác động của đường mức địa hình tới sự tán xạ của sóng vô tuyến
Sóng phản xạ bề mặt nhẵn tuân theo định luật Snell . Đinh luật
này chỉ ra rằng tích chỉ số khúc xạ N1 và Cosin của góc tới (θ) là
hằng số dọc theo đường đi của tia.
2.2 Suy hao trên địa hình đồi núi
Truyền sóng trên địa hình đồi núi thường chịu tác động bất lợi là các đỉnh đồi núi. Suy hao bởi những vật cản như vậy gọi là suy hao nhiễu xạ.
Ứng dụng công thức lý thuyết cổ điển
E0 là điện trường trong không gian tự do không có khúc xạ
F hệ số nhiễu xạ
Δφ g óc lệch pha với đường trực tiếp

Chương 2 : Một số mô hình truyền sóng
2.1 Các mô hình truyền sóng
Mô hình Okumura
Mô hình miêu tả sự suy hao và thay đổi cường độ điện trường điện từ theo sự thay đổi của địa hình. Okumura đã tính toán một cách hệ thống với các địa hình
khác nhau. Ông đã phân loại địa hình và môi trường như sau :

Địa hình :
Địa hình bằng phẳng là địa hình khu vực các vật thể trên đó có chiều cao trung bình không quá 20m
Địa hình bất thường là địa hình không thuộc địa hình bằng phẳng như đồi núi
Môi trường :
Khu vực mở là khu vực không có cây cao , tòa nhà cao tầng chắn ngang đường truyền sóng. Địa hình thoáng đãng không có vật thể nằm cản đường truyền đến
máy di động
Khu vực ngoại ô : khu vực làng xã , dân cư thưa thớt. Khu vực này có một số vật thể che chắn đường truyền nhưng không hoàn toàn.
Khu vực thành phố : Khu vực có nhiều nhà cao tầng san sát nhau , dân cư đông đúc , cây cối trồng thành hàng sát nhau.

Công thức Okumura :
dB (2.1)
•
Trường hợp ở khu vực thành phố :
L
OKUMURA
(dB)=L
fs
+A
m
(f,d)–G(h
te
)–G(h
re
)- G

area
(2.2)
Trong đó :
•
L
fs
là suy hao đường truyền không gian tự do.
•
A
m
là suy giảm liên quan giữa trong khoảng tự nhiên.
•
G(h
te
) là hệ số độ lợi antenna trạm
•
G(h
re
) hệ số độ lợi antenna di động.
•
G
area
là độ lợi phụ thuộc vào môi trường.
H ình 2.1.1. Đường cong Am (f,d)
Hình 2.1.2. Đường cong GARGEA
2.1.2 Mô hình Hata
M ô h ình Hata được xây dựng dựa trên đúc rút kinh nghiệm từ mô hình Okumura. Mô hình Hata chuyển đổi các thông số suy hao đường
truyền có tính hình học của Okumura sang công thức toán học.
Mô hình này được xây dựng dựa trên đường truyền suy hao giữa các anten Isotropic , nhưng nó cũng xét đến thông số khác như chiều
cao của anten trạm BTS , chiều cao anten MS . Địa hình trong mô hình này tương đối bằng phẳng , không có gì bất thường.

Các điều kiện ràng buộc của mô hình này :
-
Dải tần làm việc : 150 đến 1500MHz
-
Chiều cao c ủa anten BTS : 30 đến 200m
-
Chiều cao của anten MS : 1 đến 10m
Khoảng cách giữa BTS v à MS : 1 đến 20km
LHATA = 69,55 + 26,16.logfc – 13,82.loghB - a(hm) +
( 44,9 – 6,55.loghB).logR (2.3)
Trong đó :
Đối với khu vực thành phố vừa và nhỏ :
a(hm) = (1,1logfc – 0,7)hm – (1,56logfc-0,8) (2.4)
Đối với khu vực thành phố lớn :
a(hm) = 8,29.(log1,54hm)
2
-1,1 fc<200MHz (2.5)
a(hm) = 3,2.(log11,75hm)
2
-4,97 fc>400MHz (2.6)
Khu vực ngoại ô :
LHATA, Suburban = LHATA – 2.(log(fc/28))
2
– 5,4 (2.7)
Khu vực trống :
LHATA,Suburban = LHATA - 4.78.(logfc)
2
+ 18,33.logfc – 40,94 (2.8)
Bảng 2.1. Bảng tham số hóa Hata
2.1.3 mô hình Cost231

Mô hình Cost231 tính toán với dải tần từ 800 đến 2000Mhz được áp dụng cho tất cả các đường truyền thằng LOS và đường truyền gián tiếp NLOS .
Đối với đường truyền LOS , mô hình sẽ đc bổ sung them 2 điều kiện. Điều kiện thứ nhất là suy hao trên bề mặt như tín hiệu qua các mái nhà. Điều kiện
thứ 2 gây ra bởi khúc xạ và tán xạ tại mái nhà , cạnh toàn nhà , góc phố.
Có 3 thành phần cần quan tâm đến trong mô hình :
Suy hao lam truyền trong không gian tự do Lfs
Suy hao trên nhiều bề mặt Lms
Suy hao khúc xạ và tán xạ từ mái nhà đến đường phố Lrts
Điều kiện ứng dụng của mô hình là cho đường truyền sóng vô tuyến trong khu vực đô thị
Tần số làm việc fc : 800 đến 2000MHz.
Chiều cao cột BTS hB : 4 đến 50m.
Chiều cao anten MS hm : 1 đến 3m.
Khoảng cách BTS đến MS : 20 đến 50km.
Công thức Cost231
(2.9)
Suy hao trong không gian tự do :
Lfs = L(dB) = 32,44 + 20.logf(MHz) + 20 logd(km) (2.10)
Suy hao khúc xạ và tán xạ :
Lrts = -16,9 – 10logW + 10.logfc + 20.logΔhm + Lϕ (2.11)
Suy hao đa bề mặt :
Lms = Lbsh + kd.logd + kp.logfc – 9logb (2.12)
Suy hao đường phố :
2.2 so sánh
Mô hình Okumura bị giới hạn ở khoảng cách ngắn , nhỏ hẹp thì xác định rất khó. Nhưng nếu xét trên khoảng cách lớn thì mô hình này có ưu điển hơn
mô hình Hata và Cost231. Mô hình khá rộng rãi.
Mô hình Cost231 ưu đểm là tính toán chính xác với sai số thấp ở khu vực các thành phố lớn. Nhưng bị giới hạn ở những tần số thấp hơn 800MHZ thì ko
áp dụng được.
Mô hình Hata thì nó có ưu điểm riêng được áp dụng cho khu vực thành phố vừa và nhỏ. Bị giới hạn những tần số lớn hơn 1500MHz thì ko tính được
theo mô hinh Hata.
Cả 2 mô hình Okumura và Hata không được áp dụng được cho đường truyền ngắn dưới 1km.
Chuong 3 : Mô hình Okumura và ứng dụng

Mô hình của Okumura và các cộng sự dựa trên số liệu thực nghiêm chuyển thành các đồ thị và có thể áp dụng cho sự truyền sóng vô tuyến di
động VHF và UHF. Aps dụng cho các bước sau ta có thể phân biệt được các giá trị suy hao đường truyền đối với các vùng nông thôn rộng
thoáng và các vùng đô thị.
Hình 3.1.1 : Đường cong suy hao trung gian trên địa hình nhẵn trong vùng đô thị A
m
(f,d)
Hình 3.1.2 : Đường cong suy hao trung gian đối với các vùng rộng thoáng .
Trước tiên , từ hình 3.1.1 ta được giá trị suy hao qua điểm trên địa hình gần nhất trong vùng đô thị.
Bước thứ hai , trừ giá trị suy hao ở giữa cho hệ số hiệu chỉnh đối với vùng đô thị hay vùng rộng thoáng. Hai hệ số hiệu chỉnh này được chỉ ra trong
Hình 3.1.2 .
Bước thứ ba , áp dụng các hệ số hiệu chỉnh đối với độ cao anten như sau :
•
6dB/octave đối với độ cao anten trạm gốc.
•
3dB/octave đối với độ cao anten máy di động 3m<h
2
<5m
•
2h
2
.log(h
2
/3) đối với độ cao anten máy di động 5m<h
2
<10m

Các hệ số hiệu chỉnh được mô tả tròn hình Okumura như các hệ đối với khu vực đồi núi. Vì các hệ số hiệu chỉnh này được cộng với các giá trị
suy hao ở (Hình 3.1.1) , giá trị dự đoán sẽ tiến gần đến giá trị trung bình thống kê hơn.
Công thức tổng quát của suy hao đường truyền qua các ô hình khác nhau. Thông thường đường truyền có thể đi qua nhiều mức địa hình. Giả thiết độ dốc
suy hao đường truyền là r

1 được
dự đoán trong vùng A và r
2
trong vùng B.
Đường A trên khoảng r : ( r<r
1
) là trong vùng A và r
1
<r<r
2
là trong vùng B. Công suất P
r
thu được trong vùng B tại khoảng cacsg r tính từ máy
phát . Công suất P
0
trong vùng A có thể tính như sau :
(3.1)
ϒ : theo thang tuyến tính
Công thức tổng quát của suy hao đường truyền L đối với độ dài đường r đi qua n khu vực khác nhau với n độ dốc duy hao khác nhau { ϒi : i=
1,2,….,n }
(3.2)
với r
n-1
≤ r ≤ r
n
Mô hình biểu diễn bởi công thức sau :
Công thức tổng quát:
(dB)
•
Trường hợp ở khu vực thành phố :

L
OKUMURA
(dB)=L
fs
+A
m
(f,d)–G(h
te
)–G(h
re
)- G
area
Trong đó :
•
L
fs
là suy hao đường truyền không gian tự do.
•
A
m
là suy giảm liên quan giữa trong khoảng tự nhiên.
•
G(h
te
) là hệ số độ lợi antenna trạm G(h
re
) hệ số độ lợi antenna di động.
G
area
là độ lợi phụ thuộc vào môi trường.

Đồ thị của A
m
(f,d) và G
area
với dải rộng của tần số ở hình 3.1.1 và 3.1.2 với G(h
te
) là 20 dB/decade và G(h
re
) là 10 dB/decade chiều cao ít hơn
3m.