Slide Tiểu luận mô hình truyền sóng COST 231
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.08 MB, 36 trang )
LỜI NÓI ĐẦU
!"#$%& $'
!$'()*+,$%-.#"/0(1223/0'#(4
4056#73$89:#7,0;+<#:1#0($(#=(=$-#7%>
?(=0'#:/7#04$541-@AB(C'#D4E4#(4
!F6G&/)3/+<# =D ?$%)1#0)5((#=(=$-
#7%>?(=HI%JKL<M6NJOJ((0'#(4
F6G&/)1P*0/7#0$(($'(=$-Q0'406-@A
4%9(4:0#RS+T( F@&)1SUB(4.C%0=7(/(:V
WX$'(=$-JKL<M6N403/Y+
Mục tiêu của tiểu luận là nghiên cứu tìm hiểu về các mô hình truyền sóng và các mô hình dự đoán tổn hao đường truyền đã được phát triển
trong dự án COST 231, tập trung đi sâu tìm hiểu một số mô hình truyền sóng trong dải tần của các hệ thống thông tin di động thế hệ 3.
Tiểu luận thực hiện theo phương pháp: nghiên cứu đặc điểm, cách thức thực hiện trên từng mô hình, trên cơ sở đó phân tích, so sánh và đánh giá lợi
thế cũng như khả năng ứng dụng của từng mô hình trong các điều kiện hệ thống thực tế.
Chúng em xin cảm ơn thầy Phạm Duy Phong đã giao cho chúng em tìm hiểu bài tiểu luận này, nhờ thầy mà chúng em tiếp thu được nhiều
kiến thức bổ ích mà còn học được tinh thần làm việc nhóm, thái độ nghiên cứu khoa học nghiêm túc, hiệu quả đây là những điều rất cần thiết cho
chúng em trong quá trình học tập và công tác sau này
Chúng em xin chân thành cảm ơn!
TÓM TẮT TIỂU LUẬN
<(/(:I*'"763
G0((
Chương 1:<>B(#=E)#(4
;)(E0#=14*7+J37)(P(=$-1$'EZ
(:13(:E)?$["0'4*7+
Chương 2:X$'5"
;)($'(=$-1P1D 15"0'+<*7$(?(=).
*\]OS+<F-$'(=$-#7%>?(=KE((1
^1JKL<M6N1_X<M```aaa+++<+
Chương 3:X(=$-UJKL<M6N
b'#0'406GcI /7J$M6N#QMG^d+<37*D
%(=$-)(*(HI%JK<LM6N+J /I!S1ID
437+
e4/(:
Chương 1
TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN SÓNG TRONG THÔNG TIN DI ĐỘNG
1.1.Thông tin di động tế bào:
Thông tin di động dạng tế bào là một hệ thống thông tin số ra đời và phát triển rất mạnh mẽ, đáp ứng được nhu cầu ngày càng cao của con người.
Trong quá trình phát triển mạng thông tin di động tế bào đang phải đối mặt với những thách thức to lớn. Vấn đề truyền lan đa đường, ảnh hưởng của
pha-đinh, được khắc phục nhờ sự phát triển của kỹ thuật phân tập không gian thực hiện trên các hệ thống thu phát đa ăng-ten. Vấn đề suy hao truyền
dẫn cũng đang được quan tâm, để khắc phục không chỉ đơn thuần là tăng công suất phát vì nó ảnh hưởng tới yêu cầu nhỏ gọn, cơ động của các máy
cầm tay. Các hệ thống thông tin di động đang phát triển rất nhanh chóng với nhịp độ trung bình 10 năm lại có một thế hệ thống tin di động mới ra đời.
1.2 Các đặc điểm truyền sóng trong thông tin di động
Do tín hiệu được thực hiện qua kênh vô tuyến nên chất lượng liên lạc phụ thuộc vào hàng loạt yếu tố khác nhau như địa hình, khoảng cách liên lạc,
dải tần, khí quyển, tốc độ di chuyển của trạm di động , mật độ thuê bao trên một đơn vị tần số trong một đơn vi diện tích, anten ,công suất phát,, sơ đồ
điều chế… về cơ bản ta có thể chia thành các loại: ảnh hưởng của hiệu ứng Doppler, tổn hao đường truyền, pha đinh và trải trễ.
1.2.1 Hiệu ứng Doppler
Hiệu ứng Doppler là sự thay đổi tần số của tín hiệu thu được so với tín hiệu phát đi, gây bởi sự chuyển động tương đối giữa máy phát và máy thu
trong quá trình truyền sóng. Khi MS di động so với BS hoặc khi các chướng ngại vật di động thì tia sóng tới máy thu MS còn chịu tác động của hiệu
ứng Doppler.
Khi BS phát sóng mang , không điều chế. Xét tia tới thứ i như hình với góc :
^N+N<D0(
Khi đó tín hiệu thu được theo tia sóng thứ i có tần số bi dịch đi 1 lượng dung dịch tần Doppler:
= .cos với = (1.1)
Tức tần số tín hiệu thu được là:
+.cosα= .(1+ cosα) (1.2)
Lượng dịch tần Doppler cực đại khi α= hay và càng lớn khi v càng lớn. Hiện tượng này xấu nhất khi MS trên xe chạy trên xa lộ, trong đó các anten
trạm gốc được bố trí trên cầu vượt xa lộ và phát dọc theo xa lộ.
Khi α phân bố đều, tần số Doppler sẽ có phân bố cosin ngẫu nhiên mật độ phổ công suất S(f) có thể được tính như sau:
Công suất tín hiệu tới theo góc dα là công suất Doppler S(f)df trong đó df là vi phân của α theo lượng dịch tần Doppler .cosα dẫn đến việc truyền
một sóng mang không điều chế sé được thu như một tín hiệu nhiều tia , có phổ không còn là một tần số đơn nữa mà là 1 phổ bao gồm các tần số thuộc
(± )
^N+Mf>g/U$E=(4
Tổng quát, nếu tín hiệu là một sóng mang có điều chế thì phổ thu được của một MS có tốc độ cụ thể dạng :
•
S(f)= (1.3)
•
A: là hằng số
•
: phụ thuộc vào tích của v và tần số truyền.
•
^N+Mf>g/U$E=(4
1.2.2 Tổn hao đường truyền
Tổn hao đường truyền là hiện tượng suy giảm mức điện thu với mức điện phát. Trong không gian truyền sóng tự do, mức điện trung bình của tín
hiệu thu giảm dần theo bình phương khoảng cách từ máy phát tới máy thu do công suất tín hiệu trên một đơn vị diện tích của mặt cầu sóng giảm dần
theo bình phương khoảng cách giữa các anten thu và phát. Tổn hao đường truyền phụ thuộc tần số bức xạ, địa hình, tính chất môi trường, mức độ di
động của các chướng ngại, độ cao anten, loại anten…. Về nguyên tắc tổn hao đường truyền hạn chế kích thước tế bào và cự li liên lạc, song trong
nhiều trường hợp ta có thể sử dụng tính chất của tổn hao đường truyền để phân chia hiệu quả của tế bào, cho phép tái dụng tần số một cách hữu hiệu
làm tăng hiệu quả sử dụng tần số.
1.2.3 Pha – đinh
Khi khoảng cách MS-BS tăng mức điện thu trung bình giảm .Qua những khoảng cách tương đối ngắn ,mức điện thu trung bình là không đổi song
mức tín hiệu thu tức thời có thể thay đổi nhanh chóng với những lượng tiêu biểu 40dB. Những thay đổi nhanh chóng này được gọi là pha- đinh nhanh.
•
^N+6^0I
1.2.3 Pha – đinh:
h;()V$%/U=($-#(4?iQ9!1R(9!#79!F!jk
7lIC/7k?iN+mj+
hTn?I3Q 1EXLWFW#7E-!+g$-XLU =(?E(#74(
7/:(*D0((I$8-oi**/U$o(V7:99( p/U-!V
qi9jriN+mj
fhIC/7]4(-9Q(# o sE)+∀ ∈
^N+m^7:99( p/U
1.2.4 Hiện tượng trải trễ
Trong thực tế, sóng mang được điều chế. Trong thông tin di động số, ảnh hưởng của đặc tính truyền dẫn đa đường còn phụ
thuộc vào tỷ số giũa độ dài một dấu( symbol) và độ trải trễ ( delay spread) của kênh vô tuyến biến đổi theo thời gian. Độ trải trễ
có thể xem như độ dài của tín hiệu thu được khi một xung cực hẹp được truyền đi.
Chương 2
GIỚI THIỆU VỀ MỘT SỐ MÔ HÌNH TRONG THÔNG TIN DI ĐỘNG HIỆN NAY
2.1 Mô hình Hata
2.1.1 Giới thiệu
Mô hình Hata dựa trên các thông số đo lường thu được tại thành phố Tokyo. Mô hình này có thể phân chia theo các cấu trúc nhân tạo. Mô hình
Hata chuyển đổi các thông tin về suy hao đường truyền có tính hình học của mô hình Okumura sang công thức toán học. Địa hình trong mô hình được
giả thiết là khá bằng phẳng, không có bất thường.
2.1.2 Thông số kĩ thuật
•
: tần số sóng mang 150≤ ≤1500 (MHz)
•
: độ cao anten trạm gốc(BS) 30 m ≤hb ≤200 m
•
: chiều cao anten trạm di động(MS) 1 m ≤hm ≤10 m
•
d: khoảng cách truyền( khoảng cách giữa BS-MS) 1 km ≤d ≤20 km.
•
2.13 Công thức Hata tính suy hao đường truyền
= 69,55+26,16 log-13,82 log- a()+(44,9-6,55 log)×log d
Mô hình này được biết là chính xác tới trong vòng 1 dB đối với trường hợp 1km≤d≤20km. Với mô hình Hata tổn hao đường truyền tính theo đơn vị
dB là:
Trong đó:
(1) Đối với vùng nội thành
(2)Đối với vùng ngoại thành
(3)Đối với vùng có địa hình mở rộng( nông thôn)
A=69,55+26,16 lg-13,821lg-a()
B=44,9-13,821lg
C=5,4+2^2
D=40,94+4,78^2-18.33 log
a() được tính như sau:
•
a() được tính như sau:
•
Đối với thành phố vừa và nhỏ
a()= (1,1 lgofc – 0,7)hm – (1,56logfc – 0,8) [dB].
•
Đối với thành phố lớn
a() = 8,29(log1,54hm)^2- 1,1[dB]. fc ≤ 200MHz
hoặc a() = 3,2(log11,75hm)^2 - 4,97[dB]. fc ≤ 400MHz
•
Đối với vùng ngoại ô
= (thành phố) - 2 {log(fc/28 )^2 - 5,4} [dB]
•
Đối với vùng nông thôn( thông thoáng)
= (thành phố) - 4,78(log)^2 + 18,33 log - 40,49 [dB]
•
Hình 2.1 Tổn hao đường truyền tín hiệu trong mô hình Hata
Hình biểu thị tổn hao đương truyền được tính theo mô hình HataCác giá trị tính theo mô hình Hata(ở các thành phố lớn) ở hình vẽ trên
với độ cao anten trạm gốc là 70m, độ cao anten di động là 1,5m, tần số sóng mang là 900 MHz.
2.1.4 Ứng dụng
Tổn hao đường truyền được mô hình hóa ở đây là đối với vùng ngoại ô của Nhật Bản và không phù hợp với vùng ngoại ô của Bắc
Mỹ. Mô hình này được xây dựng dựa trên suy hao đường truyền của các anten isotropic.
Trong mô hình Hata không thể xét kiệu chỉnh cho đương truyền cụ thể như trong mô hình Okumura. Mô hình này chỉ tập trung
chủ yếu ở các vùng dân cư thành phố lớn.
2.2 Mô hình Okumura
2.2.1 Giới thiệu
Mục đích của mô hình Okumura là miêu tả sự suy hao và sự thay đổi cường độ trường điên từ theo sự thay đổi của đia hình.
2.2.2 Thông số kĩ thuật
Okumura muốn tính toán một cách hệ thống đối với các loại địa hình khác nhau và các môi trường khác nhau. Do vậy, ông đã phân loại địa
hình và môi trường như sau:
Địa hình:
-Địa hình bằng phẳng: là các địa hình có các vật thể có chiều cao trung bình không vượt quá 20m.
- Địa hình bất thường: là các địa hình không thuộc địa hình bằng phẳng, ví du: địa hình có đồi núi.
Môi trường:
- Khu vực mở: vùng không gian trong đó 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 trong phạm vi 300 đến 400m, ví dụ: khu vực cánh đồng, nông trang.
- Khu vực ngoại ô: khu vực làng xã, đường cao tốc với cây và nhà thưa thớt. trong khu vực này có một số vật thể chắn nhưng không che hoàn
toàn.
- Khu vực hành phố: khu vực có nhiều nhà cao tầng san sát nhau, dân cư đông đúc, cây cối trông hành hàng san sát nhau.
Công thức Okumura:
L
Okumura
= L
fs
+ A
m
trong đó:
A
m
hệ số suy hao dự đoán
L
fs
suy hao lan truyền trong không gian tự do
2.2.3 Suy hao đường truyền
KE(([0) Q/!.)!$'E(1#UE(#7$["
$( E(+b'#t/!.-*(O35u>5#/!.-+
Hình 2.2 Biểu đồ cường độ trường của OKUMURA
< \$%/?KE((u $%$(Q?D0(UEQ1-Q3=($
#H*4E%+
Bằng thực nghiệm, mô hình Okumura đưa ra công thức sau:
L
50
(dB) = L
F
+ A
mu
(f,d) - G(h
te
) - G(h
re
) - G
area
trong đó:
L
50
(dB): là 50% giá trị của pathloss
L
F
: pathloss trong không gian tự do
A
mu
(f,d): sự suy giảm tương đối trung bình trong không gian tự do
G(h
te
): chiều cao tăng ích của trạm angten cơ sở
G(h
te
) = 20log ( ) với 1000m > h
te
>30m.
G(h
re
): chiều cao tăng ích của angten di động
G(h
re
) = 10log ( ) với h
re
≤ 3
G(h
re
) = 20log ( ) với 10m > h
re
> 3m
G
area
: hệ số khuếch đại( tùy thuộc vào môi trường đang xét).
2.2.4 Ứng dụng
Mô hình Okumura là một trong những mô hình được sử dụng rộng rãi nhất trong khu vực đô thị . Mô hình này được áp dụng cho các tần số từ 150
MHz đến 1920 MHz (mặc dù nó thường được ngoại suy lên đến 3000 Mhz ) và khoảng cách từ 1 km đến 100 km. Mô hình Okumura có thể được sử
dụng cho các trạm cơ sở có chiều cao ăng ten khác nhau, từ 30 m đến 1000m.
Mô hình Okumura hoàn toàn được xây dựng từ thực nghiệm và không có một luận giải lí thuyết nào cho mô hình này. Nó đã trở thành mô hình chuẩn
được áp dụng trong việc xây dựng các hệ thống vô tuyến ở Nhật Bản. Khuyết điểm lớn nhất của mô hình này là không áp dụng được cho
khu vực nông thôn. Độ lệch trung bình giữa mô hình và thực tế rơi trong khoảng từ 10 dB đến 14 dB.
2.3. Mô hình COST 231- Walfish-Ikegami:
2.3.1 Giới thiệu
Mô hình này dựa trên các đóng góp khác nhau của các thành viên trong “Nhóm nghiên cứu các mô hình truyền sóng của dự án COST 231”, được
gọi là mô hình COST-Walfish-Ikegami(COST-WI). Mô hình này cho phép ước lượng tổn hao đường truyền kĩ hơn thông qua việc xem xét nhiều
dữ liệu đặc tả môi trường đo thị hơn.
2.3.2 Thông số kĩ thuật
Trong đó:
- Độ cao của các tòa nhà .
- Độ rộng của cá con đường w.
- Giãn cách các tòa nhà b.
- Hướng đường phố so với đường truyền vô tuyến trực tiếp .
X
Hình 2.3 Mô hình Walfish-Ikegami
Các công thức liên quan:
=+ + nếu + > 0
= nếu + < 0
: tổn hao trong không gian tự do
: tổn hao do nhiễu xạ và tán xạ bởi các nóc tòa nhà
= -16.9 – 10log(w) + 10log() + 20log +
: -10 + 0.345() với 0 35
2.5 + 0.075() với 35 55
4.0 – 0.114() với 55 90
: tổn hao nhiễu xạ nhiều tầng
= + + + - 9 khi >
= -18log[1+()] khi
= 0 khi >
= 54
= 54 – 0.8() khi và d 0.5 km
= 54 – 0.8()d/2 khi và d 0.5 km
= 18 khi
= 18 – 15()/ khi
= -4 + 0.7(/925 - 1) cho thành phố vừa và v
= -4 + 1.5(/925 - 1) cho thành phố lớn+
2.3.2 Ứng dụng
Mô hình này áp dụng cho tần số từ 800 đến 200MHz, từ 4m đến 50m, từ 1m đến 3m và d từ 0.02 đến 5km.
2.4 Mô hình IMT-2000
2.4.1 Giới thiệu chung
IMT-2000 là mạng Quốc tế viễn thông di động được sinh ra tại ITU như hệ thống thế hệ thứ ba cho viễn thông di động . IMT-2000 là kết
quả của sự hợp tác của nhiều đơn vị, trong ITU ( ITU-R và ITU-T ), và bên ngoài ITU ( 3GPP, 3GPP2 , UWCC và vvv… ) .
IMT-2000 cung cấp hạ tầng kỹ thuật cho các dịch vụ gia tăng và các ứng dụng trên một chuẩn duy nhất cho mạng thông tin di động.
Các tiêu chuẩn công nghệ của hệ thống thông tin di động thế hệ ba:
+ IMT-2000 CDMA Direct Spread (trải phổ trực tiếp), thường được biết dưới tên WCDMA.
+MT-2000 CDMA Multi-Carrier (nhiều sóng mang), đây là phiên bản 3G của hệ thống IS-95 (hiện nay gọi là cdmaOne)
+ IMT-2000 CDMA TDD
+ IMT-2000 TDMA Single-Carrier (một sóng mang), các hệ thống thuộc nhóm này được phát triển từ các hệ thống GSM hiện có lên GSM 2+ (được
gọi là EDGE).
+IMT-2000 FDMA/TDMA (thời gian tần số), đây là hệ thống các thiết bị kéo dài thuê bao số ở châu Âu.
+ IMT-2000 OFDMA TDD WMAN (thường được biết dưới tên WiMAX di động).
2.4.2 Thông số kĩ thuật
Sử dụng dải tần quy định quốc tế 2GHz như sau:
Đuờng lên: 1885 – 2025 MHz
Đường xuống: 2110 -2200 MHz.
IMT-2000 hỗ trợ tốc độ đường truyền cao hơn:
+Cho người dùng văn phòng hoặc đi bộ tốc độ tối thiểu là 2Mbps
+Khi di chuyển trên xe 348Kbps
Môi trường hoạt động của IMT – 2000 được chia thành 4 vùng với tốc độ bit R như sau:
+ Vùng 1: Trong nhà, ô pico, Rb ≤ 2 Mbit/s
+ Vùng 2: thành phố, ô macrô, R b ≤ 384 kbit/s
+ Vùng 2: ngoại ô, ô macrô, Rb ≤ 144 kbit/s
+ Vùng 4: toàn cầu, Rb = 9,6 kbit/s.
2.4.3 Ứng dụng
Công nghệ W-CDMA có các đặc tính năng cơ sở sau:
+ Hoạt động ở CDMA băng rộng với băng tần 5MHz;
+ Lớp vật lý linh hoạt để tích hợp tất cả các tốc độ trên một sóng mang;
+ Tái sử dụng bằng 1.
Ngoài ra công nghệ này có các tính năng tăng cường sau:
+ Phân tập phát;
+ ăng ten thích ứng
+ Hỗ trợ các cấu trúc thu tiên tiến.
Với các đạc tính vật lý linh hoạt,tốc độ cao do đó WCDMA có khả năng hỗ trợ các dịch vụ băng rộng như truy cập Internet tốc độ cao,
xem phim, nghe nhạc…
Được các nước châu Âu, Nhật Bản, Hàn Quốc và Mỹ…phân bổ với các dải tần số khác nhau.
Chuẩn 3G mà Bộ Thông tin và Truyền thông Việt Nam đã cấp phép là chính là WCDMA ở băng tần 2100 MHz. Công nghệ này hoạt
động dựa trên CDMA và có khả năng hỗ trợ các dịch vụ đa phương tiện tốc độ cao như video, truy cập Internet, hội thảo có hình
WCDMA nằm trong dải tần 1920 MHz -1980 MHz, 2110 MHz - 2170 MHz
