Chương 3 đặc điểm của kênh truyền trong thông tin di động

Telecommunications Program

Chương 3. Đặc điểm của kênh truyền trong thông tin di động
•

Sóng điện từ truyền trong môi trường vô tuyến với các hiện tượng
- Phản xạ (reflection)
- Khúc xạ (refraction)
- Nhiễu xạ (difraction)
- Tán xạ (scattering)

Trong thông tin di động tín hiệu từ nguồn phát đến máy thu với nhiều con đường
khác nhau (user di động) tín hiệu fading nhiều tia. Tín hiệu thu được bị ảnh
hưởng: suy hao, méo biên độ và méo tần số

1


Telecommunications Program

•

•

•

•

Chương 3: Đặc điểm của kênh truyền trong thông tin di động
Hầu hết các hệ thống di động hoạt động ở khu vực đô thị nên
không có đường truyền trực tiếp từ máy phát đến máy thu và tại

những nơi có các cao ốc gây ra suy hao do nhiễu xạ rất lớn. Do có
nhiều hiện tượng phản xạ từ nhiều vị trí nên sóng điện từ đến máy
thu từ nhiều đường có chiều dài khác nhau gây ra giao thoa lẫn
nhau gọi là fading đa đường và làm giảm cường độ sóng
Các mô hình truyền sóng thường tập trung vào việc ước tính mức
tín hiệu thu trung bình với cự ly tính từ máy phát cũng như sự thay
đổi cường độ tín hiệu trong không gian gần vị trí đang xét
Việc tính cường độ trung bình của tín hiệu nhằm xác định vùng
phủ sóng của máy phát được gọi là mô hình diện rộng (large scale)
với khoảng cách từ vài trăm đến vài ngàn mét
Mặt khác mô hình truyền sóng được đặc trưng bởi sự thay đổi rất
nhanh của cường độ tín hiệu trong khoảng cách ngắn hoặc trong
2
thời gian ngắn được gọi là mô hình diện hẹp hay mô hình fading


Telecommunications Program

Chương 3: Đặc điểm của kênh truyền trong thông tin di động

3


Telecommunications Program

I.







Chương 3: Đặc điểm của kênh truyền trong thông tin di động
Ba cơ chế truyền sóng cơ bản:
Phản xạ, nhiễu xạ và tán xạ là ba cơ chế truyền sóng cơ bản gắn
liền với quá trình truyền sóng trong thông tin di động
Hiện tượng phản xạ xãy ra khi sóng điện từ lan truyền va chạm
với vật thể có kích thước lớn hơn nhiều so với bước sóng lan
truyền chẳng hạn như mặt đất, các tòa nhà hay các bức tường
Hiện tượng nhiễu xạ xãy ra khi đường truyền vô tuyến giữa máy
phát và thu bị che bởi các bề mặt có cạnh và làm phát xạ sóng thứ
cấp khi đó không còn đường truyền line of sight. Ở tần số cao hiện
tượng nhiễu xạ giống như phản xạ nhưng phụ thuộc vào hình dạng
vật thể che cũng như góc tới, biên độ, pha và cực tính của sóng
đến tại điểm nhiễu xạ
Hiện tượng tán xạ xãy ra trong môi trường truyền mà sóng đi qua
có vật thể có kích thước nhỏ so với bước sóng và số vật thể trong
4
một đợn vị thể tích là lớn


Telecommunications Program

Chương 3: Đặc điểm của kênh truyền trong thông tin di động
1. Hiện tượng phản xạ:
Xét mô hình phản xạ mặt đất như sau

Cường độ điện trường ETOT tại antenna thu được xác định như sau

2 E0 d 0 2 hT hR
ETOT  v / m  
d
d

5


Telecommunications Program

Chương 3: Đặc điểm của kênh truyền trong thông tin di động
1. Hiện tượng phản xạ:
E0 là điện trường trong không gian tự do tại điểm cách antenna
phát là d0
 Ta cũng xác định công suất thu và suy hao đường truyền

hT2 hR2
PR  PT GT GR 4
d

PL  dB   40 log d  GT  dB   GR  dB   20 log hT  20 log hR

6


Telecommunications Program

2.





Chương 3: Đặc điểm của kênh truyền trong thông tin di động
Hiện tượng nhiễu xạ:
Hiện tượng nhiễu xạ được giải thích dựa theo nguyên lý Huygen
Hiện tượng nhiễu xạ được sinh ra do quá trình lan truyền của
sóng thứ cấp trong vùng bị che chắn
Xét mô hình với giả định h << d1, d2 và h >> 

7


Telecommunications Program

Chương 3: Đặc điểm của kênh truyền trong thông tin di động
2. Hiện tượng nhiễu xạ:
 Khoảng cách giữa đường trực xạ và đường nhiễu xạ được gọi
là khoảng vượt 

 Sai biệt pha

h 2 d1  d 2

2 d1d 2

2 2 h 2 d1  d 2  2


 v


 2 d1d 2
2
 v là tham số nhiễu xạ Fresnel-Kirchoff

vh

2  d1  d 2 

 d1d 2

8


Telecommunications Program

Chương 3: Đặc điểm của kênh truyền trong thông tin di động
2. Hiện tượng nhiễu xạ:
 Suy hao do nhiễu xạ knife-edge là hàm của v có thể được xác
định theo đồ thị hoặc tính gần đúng như sau

L  dB   0

v  1

L  dB   20 log  0.5  0.62v 

1  v  0



L  dB   20 log 0.5e0.95v



2 

L  dB   20 log  0.4  0.1184   0.38  0.1v  


 0.225 
L  dB   20 log 

 v 

0  v 1
1  v  2.4
v  2.4
9


Telecommunications Program

10


Telecommunications Program

Chương 3: Đặc điểm của kênh truyền trong thông tin di động
3. Hiện tượng tán xạ:
 Thực tế tín hiệu thu được trong môi trường thông tin di động

thường lớn hơn giá trị mà ta ước lượng với mô hình phản xạ,
nhiễu xạ là do sóng RF khi lan truyền chạm phải bề mặt gồ
ghề sẽ năng lượng phản xạ được trải ra theo mọi hướng và làm
tăng thêm mức tín hiệu thu được
 Muốn xác định bề mặt gồ ghề dựa vào độ cao tiêu chuẩn hC.
Nếu h là khoảng biến thiên từ chỗ lồi thấp nhất đến chỗ cao
nhất lớn hơn độ cao tiêu chuẩn thì được xem là bề mặt gồ ghề


hC 
8sin i
11


Telecommunications Program

Chương 3: Đặc điểm của kênh truyền trong thông tin di động
3. Hiện tượng tán xạ:
 Nếu xác định được vật gây ra tán xạ đủ lớn và định được vị trí
thì có thể xác định mức công suất thu

PR  dBm   PT  dBm   GT  dB   20 log   RCS
 30 log  4   20 log dT  20 log d R
 Đối với các building trung bình và lớn có khoảng cách từ 5 –
10Km thì giá trị RCS có thể nằm trong khoảng 14.1 dB  m2 <
RCS < 55.7 dB  m2

12

Telecommunications Program

Chương 3: Đặc điểm của kênh truyền trong thông tin di động
II. Các mô hình truyền sóng outdoor
 Truyền dẫn vô tuyến trong thông tin di động thông thường xãy ra
ở những địa hình bất thường cũng như xuất hiện thêm các vật cản
cũng cần được chú ý đến. các mô hình truyền sóng outdoor với
mục đích chủ yếu là đánh giá mức tín hiệu thu ở những vị trí
trong khu vực phục vụ (cell hoặc sector)
1. Mô hình longley-Rice: Mô hình Longley-Rice được sử dụng
trong các hệ thống thông tin điểm nối điểm hoạt động ở tần
số 40MHz đến 100GHz với các loại địa hình khác nhau.
Suy hao môi trường truyền được xác định bằng biểu đồ
hình học và sự khúc xạ trong tầng đối lưu. Suy hao do
nhiễu xạ cũng đước xét đến dựa vào mô hình knife-edge
tham số Fresnel-Kirchoff
13


Telecommunications Program

Chương 3: Đặc điểm của kênh truyền trong thông tin di động
II. Các mô hình truyền sóng outdoor
2. Mô hình Okumura
 Là một trong những mô hình được sử dụng rất phổ biến cho
khu vực đô thị. Mô hình này đáp ứng ở tần số từ 150MHz đến
1920MHz và khoảng cách từ 1Km đến 100Km. có thể sử dụng
cho các antenna BTS cao trong khoagnr 30m đến 1000m
 Okumura đưa ra một tập các đường cong về suy hao Amu liên
quan đến suy hao không gian tự do trong khu vực thành thị với

địa hình gần như bằng phẳng kết hợp với antenna trạm gốc cao
200m và antenna đầu cuối di động cao 3m
 Để xác định suy hao đường truyền sử dụng mô hình Okumura
thì cần xác định suy hao trong không gian tự do trước rồi đến
giá trị Amu(f,d) và các hệ số hiệu chỉnh như sau:
14


Telecommunications Program

Chương 3: Đặc điểm của kênh truyền trong thông tin di động
II. Các mô hình truyền sóng outdoor
2. Mô hình Okumura

LOkumura  LF  Amu  f , d   G  hte   G  hre   GAREA
 G(hte) là hệ số độ lợi về chiều cao của antenna BTS và giá trị
này thay đổi với tốc độ 20dB/decade
 G(hre) là hệ số độ lợi về chiều cao của antenna MS và giá trị
này thay đổi với tốc độ 10dB/decade ở độ cao dưới 3m
 h 
G  hte   20 log  te 
 200 
h 
G  hre   10 log  re 
 3 
 hre 
G  hre   20log  
 3 

30m  hte  1000m

hre  3m
3m  hre  10m

15


Telecommunications Program

Chương 3: Đặc điểm của kênh truyền trong thông tin di động
II. Các mô hình truyền sóng outdoor
2. Mô hình Okumura
 Giá trị Amu(f,d) và GAREA được xác định dựa vào đồ thị
 Mô hình Okumura được xem là tốt nhất và chính xác nhất để
xác định suy hao đường truyền trong thông tin di động ở môi
trường nội ô hay ngoại ô nhưng lại không phù hợp trong môi
trường nông thôn
 Ví dụ: Xác định suy hao đường truyền theo mô hình Okumura
với d = 50Km, hte = 100m, hre = 10m trong môi trường ngoại
ô. Nếu máy phát có EIRP = 1Kw hoạt động ở tần số 900MHz,
xác định công suất thu (Giả sử độ lợi của antenna thu là 1)

16


Telecommunications Program

Chương 3: Đặc điểm của kênh truyền trong thông tin di động

17

Telecommunications Program

Chương 3: Đặc điểm của kênh truyền trong thông tin di động
II. Các mô hình truyền sóng outdoor
2. Mô hình Okumura
 Tra đồ thị ta có Amu(900MHz, 50Km) = 43dB và GAREA = 9dB

LF  62.4  20 log d  20 log f
 62.4  20 log 50  20 log 900  125.5dB
 hte 
G  hte   20 log 
 6dB

 200 
 hre 
G  hre   20 log    10.46dB
 3 

PL  LF  Amu  f , d   G  hte   G  hre   G AREA  155.04dB

PR  EIRP  PL  GR  60dBm  155.04  95.04dBm
18


Telecommunications Program

Chương 3: Đặc điểm của kênh truyền trong thông tin di động
II. Các mô hình truyền sóng outdoor
3. Mô hình Hata: Mô hình Hata đưa ra công thức kinh nghiệm dựa

vào dữ liệu suy hao đường truyền bằng đồ thị của mô hình
Okumura. Mô hình hoạt động ở vùng tần số từ 150MHz đến
1500MHz cho khu vực đô thị

PLurban  dB   69.55  26.16 log f c  13.82 log hte  a  hre 
  44.9  6.55log hte  log d






fc đơn vị là MHz có giá trị từ 150 đến 1500
hte có giá trị 30m đến 200m
hre có giá trị 1m đến 10m
d là cự ly truyền đơn vị là Km
a(hre) là hệ số hiệu chỉnh cho độ cao của antenna MS phụ
19
thuộc vào kích thước vùng phu sóng


Telecommunications Program

Chương 3: Đặc điểm của kênh truyền trong thông tin di động
II. Các mô hình truyền sóng outdoor
3. Mô hình Hata:
 Đối với thành phố vừa và nhỏ hệ số a(hre) là

a  hre  dB   1.1log f c  0.7  hre  1.56 log f c  0.8 


Đối với thành phố lớn
2

a  hre  dB   8.29  log1.54hre   1.1
2

a  hre  dB   3.2  log11.75hre   4.97



f  300MHz
f  300 MHz

Đối với khu vực ngoại ô thì mô hình Hata được xác định
2

  fc  
PLsuburban  dB   PLurban  dB   2 log     5.4
  28  

20


Telecommunications Program

Chương 3: Đặc điểm của kênh truyền trong thông tin di động
II. Các mô hình truyền sóng outdoor
3. Mô hình Hata:
 Đối với khu vực nông thôn thì mô hình Hata được xác định

2

PLrural  dB   PLurban  dB   4.78  log f c   18.33log f c  40.98


Các tính toán của mô hình Hata cho kết quả rất gần với mô
hình Okumura ở cự ly trên 1Km nên mô hình này chỉ phủ hợp
với các cell có kích thước lớn
4. Mô hình Hata mở rộng: EURO Co-operative for Scientific
Technical đề nghị COST-231 được xem là mô hình Hata mở
rộng đến tần số 2GHz

PLurban  dB   46.3  33.9 log f c  13.82log hte  a  hre 
  44.9  6.55log hte  log d  CM

21


Telecommunications Program

Chương 3: Đặc điểm của kênh truyền trong thông tin di động
II. Các mô hình truyền sóng outdoor
4. Mô hình Hata mở rộng:
 CM có giá trị 3dB đối với trung tâm thành phố và là 0 đối với
ngoại ô.
 a(hre ) xác định tương tự mô hình Hata
 fc trong khoảng 150MHz đến 2GHz
 d trong khoảng 1Km đến 20Km
5. Mô hình Walfisch – Bertoni (Tự đọc )
6. Mô hình MicroCell PCS (Tự đọc)

III. Các mô hình truyền sóng Indoor (Tự đọc)

22


Telecommunications Program

Chương 3: Đặc điểm của kênh truyền trong thông tin di động

III. Fading diện hẹp và đa đường:
 Fading diện hẹp hay đơn giản gọi là fading được xem
là hiện tượng thay đổi rất nhanh biên độ của tín hiệu
vô tuyến trong khoảng thời gian ngắn hoặc khoảng
cách ngắn để có thể bỏ qua ảnh hưởng của suy hao
đường truyền diện rộng (large- scale path loss)
 Fading được tạo ra bởi sự giao thoa của 2 hoặc nhiều
phiên bản của tín hiệu phát mà chúng đến máy thu ở
những thời điểm khác nhau. Các sóng này được gọi là
hiện tượng đa đường (Multipath)
23


Telecommunications Program

Chương 3: Đặc điểm của kênh truyền trong thông tin di động

1. Sự lan truyền đa đường diện hẹp :
Có 3 ảnh hưởng quan trọng nhất trong fading diện hẹp
 Sự thay đổi nhanh chóng cường độ tín hiệu trong
khoảng thời gian ngắn hoặc trong khoảng cách ngắn

 Điều chế tần số ngẫu nhiên do sự thay đổi dịch
Doppler trên những tín hiệu đa đường khác nhau
 Phân tán trong miền thời gian do trễ lan truyền đa
đường gây ra

24


Telecommunications Program

• Méo tần số (Doppler effect)
Khi giữa máy phát và máy thu có sự dịch chuyển tương đối thì tần
số thu được có sự khác biệt so với tần số phát của sóng mang

l  d cos 
2l 2 vt
 

cos



fD 

1  v
 cos  f m cos
2 t 
25