(Luận văn thạc sĩ) kỹ thuật tổ hợp tỷ số cực đại

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

LÊ XUÂN HOẰNG

KỸ THUẬT TỔ HỢP
TỶ SỐ CỰC ĐẠI
Ngành: Công nghệ Điện Tử - Viễn thông
Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử
Mã số: 60.52.70

LUẬN VĂN THẠC SĨ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS NGUYỄN VIẾT KÍNH

Hà Nội 2008


3

MỤC LỤC
CHƯƠNG 1: TỔN HAO ĐƯỜNG TRUYỀN VÀ SUY GIẢM CHE KHUẤT11
1.1. Giới thiệu về sự truyền lan của sóng vơ tuyến trong kênh di động. .................... 12
1.2. Mơ hình tín hiệu.................................................................................................. 13
1.3. Tổn hao trong khơng gian tự do.......................................................................... 14
1.4. Kỹ thuật tia .......................................................................................................... 15
1.4.1. Mơ hình hai tia ............................................................................................. 17
1.4.2. Mơ hình tia tổng qt ................................................................................... 20
1.5. Mơ hình tổn hao đƣờng truyền đƣợc đơn giản hóa ............................................ 23
1.6. Các mơ hình tổn hao đƣờng truyền thực tế ........................................................ 24

1.6.1. Mơ hình Okumura ........................................................................................ 25
1.6.2. Mơ hình Hata ................................................................................................ 25
1.6.3. Mơ hình đa suy giảm..................................................................................... 26
1.6.4. Mơ hình suy giảm trong nhà......................................................................... 28
1.7. Suy giảm che khuất theo loga chuẩn .................................................................. 29
1.8. Kết hợp tổn hao đƣờng truyền và suy giảm che khuất. ....................................... 33
1.9. Xác suất hiệu dụng .............................................................................................. 33
1.10. Diện tích phủ sóng cell ...................................................................................... 34
CHƯƠNG 2: CÁC MƠ HÌNH KÊNH ĐA ĐƯỜNG THỐNG KÊ ................. 37
2.1. Đáp ứng xung của kênh thay đổi theo thời gian ................................................. 37
2.2. Các mơ hình fading băng hẹp ............................................................................. 41
2.2.1. Hàm tự tƣơng quan, hàm tƣơng quan chéo, và hàm mật độ phổ công suất. 42
2.2.2. Phân bố công suất và đƣờng bao. ................................................................. 48
2.3. Các mơ hình fading băng rộng............................................................................ 51
2.3.1. Hàm cƣờng độ đa đƣờng .............................................................................. 55
2.3.2. Độ rộng băng kết hợp.................................................................................... 55
2.3.3. Phổ công suất Doppler và thời gian kết hợp ................................................. 57
2.3.4. Biến đổi cho hàm tán xạ và hàm tự tƣơng quan ........................................... 58
2.3.5. Tƣơng quan đƣờng bao ................................................................................ 59
CHƯƠNG 3: PHÂN TẬP ................................................................................. 60
3.1. Cách thu nhận các đƣờng fading độc lập ........................................................... 60
3.2 Mơ hình hệ thống thu phân tập ........................................................................... 61
3.3. Tổ hợp chọn lựa .................................................................................................. 63

Luận văn cao học

Tổ hợp tỷ số cực đại


4

3.4. Tổ hợp ngƣỡng .................................................................................................... 65
3.5. Kết hợp tỷ số cực đại............................................................................................ 67
3.6. Tổ hợp có hệ số khuyếch đại bằng nhau ............................................................. 69
3.7. Phƣơng pháp thống nhất để phân tích hiệu năng của MRC .............................. 70
3.7.1. Tín hiệu, hệ thống và các mơ hình kênh....................................................... 71
3.7.2. Biểu diễn dạng tích của BER có điều kiện ................................................... 75
3.7.3. BER trung bình đối với trƣờng hợp thu kênh đơn (L =1) ............................ 76
3.7.4. BER trung bình đối với trƣờng hợp thu đa kênh .......................................... 78
3.7.5. Tỷ lệ lỗi kí hiệu trung bình của tín hiệu M-PSK........................................... 80
3.7.6. Tỷ lệ lỗi kí hiệu trung bình của các tín hiệu M-QAM cầu phƣơng. ............. 81
CHƯƠNG 4: TỔ HỢP TỶ SỐ CỰC ĐẠI VỚI CÁC KÊNH FADING RAYLEIGH
CÓ TƯƠNG QUAN. ......................................................................................... 84
4.1. Giới thiệu............................................................................................................. 84
4.2. MRC VỚI FADING ĐỘC LẬP ........................................................................... 84
4.2.1. Tỷ số tín trên tạp (SNR) ................................................................................ 84
4.2.2. Xác suất lỗi bit............................................................................................... 87
4.2.3. Các kết quả BER mô phỏng ......................................................................... 89
4.2.4. So sánh các kết quả mô phỏng với các kết quả phân tích. ........................... 90
4.3. MRC VỚI FADING CĨ TƢƠNG QUAN ........................................................... 91
4.3.1. Tỷ số tín trên tạp ........................................................................................... 91
4.3.2. Xác suất lỗi bit............................................................................................... 96
4.3.3. Các kết quả BER phân tích ........................................................................... 97
4.3.4. Các kết quả mô phỏng cho MRC ở trạm di động ........................................ 100
4.3.5. Các kết quả mô phỏng BER cho MRC ở trạm cơ sở ................................... 101
4.3.6. So sánh các kết quả mơ phỏng và phân tích. .............................................. 102
4.4. KẾT LUẬN ........................................................................................................ 103
KẾT LUẬN ..................................................................................................... 104
TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................. 105
PHỤ LỤC ........................................................................................................ 108

Luận văn cao học

Tổ hợp tỷ số cực đại


5

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
AOA
AWGN
BER
BFSK
BS
DW
EGC
FSMC
GR
GRT
GW
iid
ISI
LAN
LOS
MGF
MIMO
MMSE
M – PSK
M – QAM

Angle Of Arrival
Additive White Gaussian Noise.
Bit Error Rate
Binary Frequency Shift Key
Base Station
Double – Wall Reflected Path
Equal Gain Combining
Finite State Markov Model
Ground – Reflected Path
General Ray Trace
Ground – Wall Reflected Path
Invariant Independent
Distribution
Inter – Symbol Interference
Local Area Network
Light Of Sight
Moment Generating Function
Multi – input Multi – Output

MRC
MS
MSE
PSD
rms
SC
SER
SHF
SIMO

Minimum Mean Square Error

M – Phase Shift Key
M – Quadrature Amplitude
Modulation.
Maximum Ratio Combining
Mobile Station
Mean Square Error
Power Spectral Density
Root Mean Square
Selection Combining
Symbol Error Rate
SuperHigh Frequency
Single – input Multi – Output

SNR
SW
TW
UHF
US
WG
WSS
WSSUS

Signal Noise Ratio
Single – Wall Reflected Path
Triple – Wall Reflected Path
UltraHigh Frequency
Uncorrelated Scattering
Wall – Ground Reflected Path
Wide – Sense Station
WSS And US

Luận văn cao học

Góc tới
Ồn Gauss trắng cộng tính.
Tỷ lệ lỗi bit
Khóa dịch tần nhị phân
Trạm cơ sở
Tia phản xạ tường hai lần.
Tổ hợp có hệ số khuyếch đại bằng nhau.
Mơ hình Markov trạng thái hữu hạn.
Tia phản xạ mặt đất.
Mơ hình tia tổng qt.
Tia phản xạ đất tường.
Phân bố độc lập bất biến theo thời gian.
Nhiễu xuyên kí hiệu
Mạng cục bộ.
Đường nhìn thẳng.
Hàm momen chung.
Hệ có nhiều anten phát và nhiều anten
thu.
Sai số bình phương trung bình cực tiểu.
Khóa dịch pha M mức
Điều chế biên độ cầu phương M mức.
Tổ hợp tỷ số cực đại
Trạm di động
Sai số bình phương trung bình.
Mật độ phổ cơng suất.
Căn bình phương trung bình.
Tổ hợp chọn lựa

Tỷ lệ lỗi kí hiệu
Tần số siêu cao.
Hệ chỉ có một anten phát và nhiều anten
thu.
Tỷ số tín trên tạp.
Tia phản xạ tường một lần.
Tia phản xạ tường 3 lần.
Tần số cực cao.
Tán xạ không tương quan
Tia phản xạ tường đất.
Dừng theo nghĩa rộng
Dừng theo nghĩa rộng và tán xạ không
tương quan.
Tổ hợp tỷ số cực đại


6

DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1: Các số mũ tổn hao đường truyền điển hình ..................................................... 24
Bảng 1.2: Các tổn hao vách ngăn điển hình .................................................................... 28

Luận văn cao học

Tổ hợp tỷ số cực đại


7

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1-1: Tổn hao đường truyền, suy giảm, và đa đường thay đổi theo khoảng cách. ..... 12
Hình 1.2: Mơ hình tia ..................................................................................................... 16
Hình 1.3: Mơ hình hai tia ............................................................................................... 17
Hình 1.4: Cơng suất nhận được theo khoảng cách đối với mơ hình hai tia. ..................... 19
Hình 1.5: Nhiễu xạ lưỡi dao............................................................................................ 21
Hình 1.6: Tán xạ ............................................................................................................. 21
Hình 1.7: Mơ hình đa suy giảm cho tổn hao đường truyền .............................................. 27
Hình 1.8: Đường bao của cơng suất thu ......................................................................... 36
Hình 2.1: Góc tới của thành phần đa đường ................................................................... 38
Hình 2.2: Hệ thống đa đường ở các thời điểm đo khác nhau ........................................... 40
Hình 2.3: Đáp ứng của kênh khơng dừng ........................................................................ 41
Hình 2.4: Hàm Bessel đối với fD .................................................................................... 45
Hình 2.5: PSD của tín hiệu cùng pha và tín hiệu vng pha ........................................... 46
Hình 2.6: Tần số Doppler fD  2v/ trong trường hợp  phân bố đều. .......................... 47
Hình 2.7: Kết hợp tổn hao đường truyền, suy giảm che khuất, và fading băng hẹp. ........ 47
Hình 2.8: Fading băng hẹp. ............................................................................................ 48
Hình 2.9: Độ phân giải đa đường ................................................................................... 52
Hình 2.10: Hàm tán xạ.................................................................................................... 54
Hình 2.11: Hàm cường độ đa đường, trải trễ và độ rộng băng kết hợp. .......................... 57
Hình 2.12: Phổ cơng suất Doppler, trải phổ Doppler, thời gian kết hợp ......................... 58
Hình 2.13: Mối quan hệ biến đổi Fourier ....................................................................... 59
Hình 3.1: Bộ tổ hợp tuyến tính ........................................................................................ 62
Hình 3.2: Hiệu năng của tổ hợp chọn lựa ...................................................................... 65
Hình 3.3: Kỹ thuật tổ hợp chuyển và tồn tại .................................................................... 66
Hình 3.4: Hiệu năng của tổ hợp chuyển và tồn tại .......................................................... 68
Hình 3.5: Hiệu năng của tổ hợp tỷ số cực đại ................................................................. 69
Hình 3.6: Hiệu năng của phương pháp tổ hợp có hệ số khuyếch đại bằng nhau.............. 70
Hình 3.7: Mơ hình kênh đa đường .................................................................................. 72
Hình 4.1: BER theo phân tích đối với SNR cho trường hợp 1,2,3 và 4 anten thu. ............ 89
Hình 4.2: BER mơ phỏng theo SNR cho trường hợp có 1,2,3,4 và 5 anten thu. ............... 90

(bao gồm BER trong kênh AWGN khơng có fading) ...................................................... 90
Hình 4.3: So sánh kết quả BER mơ phỏng với kết quả BER phân tích. ........................... 91

Luận văn cao học

Tổ hợp tỷ số cực đại


8

Hình 4.4: BER phân tích theo SNR cho trường hợp có 1 anten thu (L=1) ....................... 98
(tất cả các đường chồng phủ lên nhau). .......................................................................... 98
Hình 4.5: BER phân tích theo SNR cho trường hợp có 2 anten thu (L=2) ....................... 98
Hình 4.6: BER phân tích theo SNR cho trường hợp có 3 anten thu (L=3) ....................... 99
Hình 4.7: BER phân tích theo SNR cho trường hợp có 4 anten thu (L=4) ....................... 99
Hình 4.8: BER mơ phỏng theo SNR cho trường hợp có 2 anten thu ở trạm MS. ............ 100
Hình 4.9: Ảnh hưởng của tán xạ ở trạm di động lên tín hiệu thu ở trạm cơ sở. ............. 101
Hình 4.10: BER mơ phỏng theo SNR cho trường hợp có hai anten thu ở trạm BS. ........ 102

Luận văn cao học

Tổ hợp tỷ số cực đại


9

MỞ ĐẦU
Ngày nay với sự phát triển như vũ bảo của công nghệ thông tin, công nghệ điện tử,
công nghệ viễn thông. Điều này đã làm cho nhu cầu về các loại hình dịch vụ ngày càng
phong phú và đa dạng. Có những dịch vụ địi hỏi băng tần rộng, có dịch vụ chỉ địi hỏi

băng tần hẹp, có những dịch vụ địi hỏi tốc độ cao, có những dịch vụ lại đòi hỏi tốc độ
thấp. Để đáp ứng được những nhu cầu này thì hàng loạt các cơng nghệ mới đã ra đời. Để
đáp ứng được những nhu cầu về các loại hình dịch vụ địi hỏi băng tần rộng thì hiện nay
ta sử dụng cơng nghệ truyền dẫn cáp quang hay công nghệ truyền dẫn vô tuyến. Nhưng
đối với các dịch vụ chuyển động thì hiện nay ta chỉ có thể sử dụng cơng nghệ truyền dẫn
vơ tuyến. Theo nghiên cứu của Hert trong thập kỷ 1880 thì sóng điện từ có thể truyền
trong khơng gian tự do. Đối với đường truyền vơ tuyến thì nó có ưu điểm là băng tần
khơng bị hạn chế nhưng nó lại có nhược điểm là khi sóng điện từ truyền trong mơi trường
vơ tuyến thì nó gặp phải rất nhiều khó khăn bởi nó khơng chỉ nhạy cảm với ồn, nhiễu, sự
cản trở, và hiện tượng đa đường, mà sự trở ngại này cịn thay đổi theo thời gian mà ta
khơng thể dự đoán được do sự chuyển động của người dùng. Điều này đã làm cho tín hiệu
thu được bị méo hoặc làm giảm công suất. Để khắc phục nhược điểm này có rất nhiều kỷ
thuật thu tín hiệu vơ tuyến đã được áp dụng, một trong những kỷ thuật thu có hiệu quả
nhất là kỷ thuật phân tập khơng gian, điển hình cho kỹ thuật phân tập khơng gian là kỷ
thuật tổ hợp tỷ số cực đại. Trong đề tài này ta sẽ nghiên cứu kỹ về kỹ thuật tổ hợp tỷ số
cực đại:
Đề tài được chia làm 4 chương:
Chương 1: Trình bày về tổn hao đường truyền và suy giảm che khuất. Trong
chương này ta sẽ mô tả đặc trưng của sự thay đổi cơng suất của tín hiệu thu theo khoảng
cách do sự tổn hao đường truyền và sự cản trở tín hiệu. Tiếp theo ta sẽ mơ tả và giới thiệu
sơ qua về mơ hình tín hiệu, ta sẽ trình bày mơ hình truyền lan tín hiệu đơn giản nhất, cụ
thể là mơ hình truyền lan tín hiệu trong khơng gian tự do. Sau đó ta sẽ mơ tả các mơ hình
truyền lan tia. Các mơ hình này được sử dụng để xấp xỉ sự truyền lan sóng theo phương
trình Maxwell. Các mơ hình tia phụ thuộc nhiều vào tính chất hình học và tính chất điện
mơi của vùng mà tín hiệu truyền qua. Ta cũng sẽ trình bày một số mơ hình tổng qt đơn
giản với một vài thông số thường được sử dụng trong thực tế cho việc phân tích và thiết
kế hệ thống.
Chương 2: Ta sẽ trình bày các mơ hình thống kê đa đường. Trong chương này sẽ
trình bày về các mơ hình kênh fading đa đường thống kê có đáp ứng xung thay đổi theo
Luận văn cao học

Tổ hợp tỷ số cực đại


10

thời gian. Cụ thể ta sẽ trình bày về các mơ hình kênh fading băng hẹp và mơ hình kênh
fading băng rộng.
Chương 3: Chương này ta sẽ trình bày về kỹ thuật phân tập. Trong chương này ta
sẽ trình bày về 4 kỹ thuật phân tập: Kỹ thuật phân tập không gian, kỹ thuật phân tập tần
số, kỹ thuật phân tập thời gian, kỹ thuật phân tập phân cực. Trong đó ta sẽ đi vào phân
tích kỹ về 4 kỹ thuật phân tập khơng gian đó là: kỹ thuật chọn lựa, kỹ thuật tổ hợp
ngưỡng, kỹ thuật tổ hợp tỷ số cực đại, kỷ thuật tổ hợp có hệ số khuyếch đại bằng nhau.
Chương 4: Trong chương này ta sẽ đi sâu vào phân tích kỹ thuật tổ hợp tỷ số cực
đại đối với cả hai trường hợp: Tổ hợp tỷ số cực đại với kênh fading độc lập và tổ hợp tỷ
số cực đại với kênh fading có tương quan.

Luận văn cao học

Tổ hợp tỷ số cực đại


11

CHƯƠNG 1: TỔN HAO ĐƯỜNG TRUYỀN VÀ SUY GIẢM CHE KHUẤT
Kênh vô tuyến đưa ra một sự thách thức khốc liệt về môi trường đối với việc
truyền thông tốc độ cao. Nó khơng chỉ nhạy cảm với ồn, nhiễu, sự cản trở, và hiện tượng
đa đường, mà sự trở ngại này cịn thay đổi theo thời gian mà ta khơng thể dự đoán được
do sự chuyển động của người dùng. Trong chương này ta sẽ mô tả đặc trưng sự thay đổi
cơng suất của tín hiệu thu theo khoảng cách do sự tổn hao đường truyền và sự cản trở tín

hiệu. Tổn hao đường truyền được định nghĩa là hiệu số giữa công suất phát và công suất
thu, được tạo ra do sự tiêu tán công suất phát xạ của bộ phát cũng như các ảnh hưởng của
kênh truyền. Các mơ hình tổn hao đường truyền giả thiết rằng tổn hao đường truyền là
giống nhau ở cùng khoảng cách thu phát. Sự cản trở tín hiệu được tạo ra do các vật cản
đặt giữa bộ phát và bộ thu hấp thụ công suất. Sự thay đổi do tổn hao đường truyền xuất
hiện đối với đường truyền kích thước lớn (100 – 1000 m), trong khi đó sự thay đổi do sự
cản trở xuất hiện qua khoảng cách tỷ lệ với kích thước của vật cản (10 -100 đối với mơi
trường ngồi trời và nhỏ hơn đối với mơi trường trong nhà). Vì sự thay đổi do tổn hao
đường truyền và do sự cản trở xuất hiện qua khoảng cách tương đối lớn, nên chúng
thường được gọi là các ảnh hưởng đường truyền kích thước lớn. Hình 1-1 phác họa đường
lý thuyết cho tỷ số của công suất phát – nhận theo khoảng cách đối với sự ảnh hưởng kết
hợp giữa tổn hao đường truyền, sự cản trở, và hiện tượng đa đường.
Trong chương này ta sẽ trình bày tổng quan về các mơ hình kênh đối với tổn hao
đường truyền và suy giảm che khuất.

Luận văn cao học

Tổ hợp tỷ số cực đại


12

Tổn hao đường truyền
Tổn hao đường truyền và che khuất
Tổn hao đường truyền, che khuất và đa đường

K(dB)

P
r (dB)

P
t

0

Log(d)

Hình 1-1: Tổn hao đường truyền, suy giảm, và đa đường thay đổi theo khoảng cách.
1.1. Giới thiệu về sự truyền lan của sóng vơ tuyến trong kênh di động.
Để nắm được kiến thức ban đầu về truyền lan vô tuyến di động ta trở lại với ngiên
cứu của Hert trong thập kỷ 1880, nó cho thấy sóng điện từ có thể truyền trong không gian
tự do. Công việc tiên phong này đã khởi đầu cho lĩnh vực truyền thông vô tuyến, hệ thống
vô tuyến cố định đầu tiên được xây dựng trong năm 1895 bởi Marconi. Và vào năm 1897
Marconi đã thực hiện việc truyền sóng vơ tuyến từ hịn đảo Wight tới một con tàu cách xa
đảo 18 dặm: Đây chính là việc thử nghiệm đầu tiên về hệ thống vơ tuyến di động.
Sóng điện từ truyền qua mơi trường, ở đó chúng bị phản xạ, tán xạ, và nhiễu xạ do
các bức tường, do mưa, do sự cản trở của các tòa nhà, và sự cản trở của các vật thể khác.
Những chi tiết cơ bản về truyền lan này có thể nhận được bằng cách sử dụng các phương
trình Maxwell với điều kiện biên thích hợp, những phương trình này biểu diễn các đặc
tính vật lý của các vật cản. Vì việc tính tốn này là rất khó khăn và nhiều lúc các tham số
cần thiết là không có sẵn, vì vậy phương pháp xấp xỉ được sử dụng để mơ tả truyền lan tín
hiệu mà khơng dùng đến các phương trình Maxwell. Phương pháp xấp xỉ thơng dụng nhất
là sử dụng kỷ thuật tia. Kỷ thuật này xấp xỉ việc truyền lan sóng điện từ bằng cách biểu
diễn sóng như là các hạt đơn giản: Mơ hình này xét đến sự ảnh hưởng của phản xạ và
nhiễu xạ đối với dạng sóng mà khơng tính đến hiện tượng tán xạ phức tạp hơn được dự
đoán bởi cặp phương trình vi phân của Maxwell. Mơ hình tia đơn giản nhất là mơ hình hai
Luận văn cao học

Tổ hợp tỷ số cực đại

13

tia, mơ hình này mơ tả sự truyền lan tín hiệu khi tồn tại một đường truyền thẳng giữa bộ
phát và bộ thu và một đường phản xạ. Đường phản xạ chính là sự phản xạ trên mặt đất, và
mơ hình hai tia là một sự xấp xỉ tốt đối với truyền lan dọc theo các đường cao tốc, đường
nông thôn, và qua nước. Tiếp theo ta sẽ xét các mơ hình phức tạp hơn với sự có thêm của
các sóng phản xạ, và chúng cũng có thể là tán xạ hoặc nhiễu xạ. Nhiều môi trường truyền
lan không phản ánh chính xác với các mơ hình tia. Trong các trường hợp này thường sử
dụng mơ hình phân tích dựa trên giá trị đo thực tế. Và ta sẽ trình bày một vài mơ hình
thực tế thơng dụng nhất.
Thường do sự phức tạp và sự biến đổi của kênh vô tuyến làm cho ta khó có thể có
được một mơ hình kênh xác định chính xác. Đối với các trường hợp này ta thường sử
dụng các mơ hình thống kê. Sự suy giảm do sự cản trở đường tín hiệu của các tịa nhà hay
các vật thể khác được mơ tả theo thống kê, như được trình bày trong phần 1.7. Khi sự
truyền lan phụ thuộc nhiều vào tính chất hình học và tính chất điện mơi của mơi trường
vơ tuyến, thì các mơ hình thống kê cung cấp q ít các thông tin hữu ích. Đây là trường
hợp điển hình cho các hệ thống trong nhà, mà ở đó các đặc tính truyền lan thay đổi đột
ngột phụ thuộc vào việc mơi trường đó là các xí nghiệp, các văn phòng nhỏ, hay cửa hàng
máy kim loại. Đối với các môi trường này ta sử dụng các công cụ mơ hình có sự hỗ trợ
của máy tính để dự đốn các đặc tính truyền lan của tín hiệu [5].
1.2. Mơ hình tín hiệu
Ta chỉ tập trung nghiên cứu đối với các tín hiệu trong băng tần UHF – SHF, tương
ứng từ 0,3 – 3 GHz và 3 – 30 GHz. Hầu hết các hệ thống truyền thông di động mặt đất sử
dụng băng UHF, trong khi đó các hệ thống vệ tinh điển hình hoạt động trong băng tần
SHF, vì các tín hiệu này khơng có khả năng đâm xun tầng điện ly hoặc nếu có thì cũng
rất nhỏ. Việc phân tích về sự truyền lan sóng vơ tuyến đối với các hệ thống mặt đất trong
băng tần UHF phải tính đến sự phản xạ và tán xạ từ các vật thể tự nhiên và các vật thể do
con người tạo ra. Sự truyền lan sóng trong băng tần SHF đối với vệ tinh phải xét đến sự
suy giảm gây ra do các tòa nhà, mưa, và các ảnh hưởng khác của khí quyển. Ta giả thiết

khoảng cách truyền trên trái đất là đủ nhỏ như thế sẽ không bị ảnh hưởng bởi độ cong của
trái đất. Tín hiệu được truyền có dạng là:
s( t )  {( u ( t )e

j(2f t   )
c
0 }  {u ( t )} cos(2f t   )  {u ( t )} sin(2f t   ),
c
0
c
0

(1.1)

Luận văn cao học

Tổ hợp tỷ số cực đại


14

Ở đây u(t) là tín hiệu băng cơ sở phức có thành phần cùng pha {u ( t )} , và thành
phần vuông pha là {u ( t )} , độ rộng băng B, và công suất Pu. Tần số sóng mang của tín
hiệu được điều chế s(t) là fc và  0 là pha ban đầu tùy ý của sóng mang. Ta giả thiết rằng
B << fc, vì thế cơng suất của tín hiệu được truyền s(t) là Pt=Pu/2. Hơn nữa pha là ngẫu
nhiên, thì tín hiệu nhận được sẽ có dịch tần Doppler trong mỗi thành phần tín hiệu nhận
được của nó là  cos  /  , ở đây  là góc tới của thành phần tín hiệu,  là vận tốc của bộ
thu, và   c / f c là bước sóng của tín hiệu (c=3x108 m/s là tốc độ ánh sáng). Ta sẽ bỏ qua
thành phần dịch tần Doppler này trong các mô hình khơng gian tự do và mơ hình tia của
chương này, vì đối với vùng nội thành thì tốc độ phương tiện là 60 km/h và tần số xấp xỉ

1GHz, thì dịch tần là nhỏ hơn 70Hz [3]. Tuy nhiên ta sẽ tính đến các ảnh hưởng của
Doppler đối với các mơ hình fading thống kê được trình bày trong chương 2.
Trong chương này ta giả thiết rằng tín hiệu băng cơ sở u(t) là tín hiệu thực, vì thế
u ( t ) {u ( t )} và {u ( t )}0 .

Vì vậy: s( t )  u ( t ) cos(2f c t  0 ).

(1.2)

Ta có thể cơng nhận giả thiết này mà khơng làm mất tính tổng quát vì tổn hao
đường truyền ảnh hưởng đến thành phần cùng pha và thành phần vuông pha là giống
nhau. Ta sẽ sử dụng đến tín hiệu băng cơ sở phức khi xem xét đến fading thống kê được
trình bày trong chương 2, vì hiện tượng fading này ảnh hưởng đến thành phần cùng pha
và thành phần vuông pha là khác nhau.
1.3. Tổn hao trong không gian tự do.
Xét một tín hiệu được truyền qua khơng gian tự do tới một bộ nhận được đặt cách
bộ phát một khoảng cách d. Tín hiệu này thường được gọi là tín hiệu nhìn thẳng (LOS), vì
khơng có vật cản giữa bộ phát và bộ thu nên tín hiệu được truyền theo đường thẳng mà
khơng bị phản xạ. Tín hiệu nhận được, được xác định từ công thức truyền lan trong không
gian tự do [4]:

 G l e j(2d / )
 G l e j(2d / )
r(t) 
s( t ) 
u ( t ) cos(2f c t  0 )
4d
4d
Ở đây

(1.3)

G là tích số của hệ số tăng ích của anten phát và hệ số tăng ích của anten
l

thu theo hướng trực tiếp. Tín hiệu nhận được tỷ lệ với bước sóng của tín hiệu  [4].
Cơng suất s(t) là Pt, vì thế tỷ số giữa công suất thu và công suất phát được tính từ
(1.3) là:
Luận văn cao học

Tổ hợp tỷ số cực đại


15

Pr  G l  


Pt  4d 

2
(1.4)

Như vậy cơng suất tín hiệu nhận được giảm tỷ lệ với bình phương khoảng cách d
giữa bộ phát và bộ nhận. Trong phần sau ta sẽ thấy khi xét đến các mơ hình truyền lan tín
hiệu khác, thì cơng suất tín hiệu nhận được giảm nhanh hơn so với khoảng cách này.
Cơng suất tín hiệu nhận được cũng tỷ lệ với bình phương của bước sóng tín hiệu, vì thế
khi tần số sóng mang tăng thì cơng suất của tín hiệu thu giảm. Cơng suất tổn hao đường
truyền thường tính theo dB, đối với tổn hao trong không gian tự do, thì nó tương ứng là:

Pr dBm  Pt dBm 10 log10 (G l )  20 log10 ()  20 log10 (4)  20 log10 (d)

(1.5)

1.4. Kỹ thuật tia
Trong môi trường trong nhà hoặc mơi trường nội thành, tín hiệu vô tuyến được
truyền từ một nguồn cố định sẽ gặp phải các vật thể trong mơi trường đó và tạo nên tín
hiệu phản xạ, tín hiệu nhiễu xạ, và tín hiệu tán xạ, chúng là các bản sao của tín hiệu được
truyền, như được trình bày trong hình 1.2. Các bản sao tín hiệu này được gọi là các thành
phần tín hiệu đa đường, chúng có thể làm giảm cơng suất, gây ra trễ thời gian và dịch pha
hay dịch tần so với tín hiệu truyền thẳng. Tín hiệu đa đường và tín hiệu được truyền được
cộng với nhau ở bộ thu, nó thường làm cho tín hiệu nhận được bị méo so với tín hiệu
được truyền.
Trong kỹ thuật tia ta giả thiết số bộ phản xạ là hữu hạn và có các thuộc tính về điện
mơi và vị trí là đã biết trước. Các yếu tố của truyền lan đa đường này có thể nhận được
bằng cách sử dụng các phương trình Maxwell với điều kiện biên thích hợp. Tuy nhiên do
độ phức tạp tính tốn của giải pháp này đã làm cho nó khơng thể trở thành một cơng cụ
mơ hình tổng qt được. Các kỹ thuật tia xấp xỉ truyền lan của sóng điện từ bằng cách
biểu diễn dạng sóng như là các hạt đơn giản. Vì vậy sự phản xạ, nhiễu xạ, và tán xạ ảnh
hưởng lên dạng sóng được tính xấp xỉ gần đúng bằng cách sử dụng các phương trình hình
học đơn giản thay vì sử dụng phương trình sóng phức tạp hơn của Maxwell. Sai số do xấp
xỉ của kỹ thuật tia là nhỏ nhất khi bộ thu thu được nhiều sóng đến từ các vật tán xạ gần
nhất, và kích thước của tất cả các vật tán xạ là lớn so với bước sóng và bề mặt của chúng
là khá nhẵn. So sánh phương pháp tia với dữ liệu thực tế cho thấy nó là mơ hình mơ tả
chính xác cơng suất thu được trong các vùng nông thôn, dọc theo các đường phố nơi mà ở
đó bộ phát và bộ thu được đặt gần với mặt đất, hay trong các môi trường trong nhà có các
hệ số nhiễu xạ được hiệu chỉnh phù hợp.
Luận văn cao học

Tổ hợp tỷ số cực đại

16

Nếu bộ phát, bộ thu và các bộ phản xạ đều đứng n thì ảnh hưởng của các thành
phần tín hiệu đa đường nhận được, và độ trễ của chúng đối với tín hiệu truyền thẳng LOS
là khơng đổi. Tuy nhiên nếu bộ phát hay bộ thu chuyển động, thì đặc tính của các thành
phần tín hiệu đa đường sẽ thay đổi theo thời gian. Sự thay đổi theo thời gian này là hoàn
toàn xác định khi số bộ phản xạ, vị trí của các bộ phản xạ, và các đặc tính của các bộ phản
xạ là đã biết trước, nếu khơng biết thì ta sử dụng mơ hình thống kê. Tương tự nếu số bộ
phản xạ là rất lớn hay bề mặt của bộ phản xạ là không được nhẵn thì ta phải sử dụng xấp
xỉ thống kê để mơ tả đặc tính của tín hiệu thu. Ta sẽ trình bày về các mơ hình fading
thống kê cho các ảnh hưởng truyền lan trong chương 2. Các mơ hình kết hợp, kết hợp mơ
hình kỹ thuật tia và fading thống kê, có thể tham khảo trong tài liệu [7,8], tuy nhiên ta sẽ
khơng đề cập chúng ở đây.
Mơ hình tia tổng quát nhất đề cập đến tất cả các thành phần đa đường do suy hao,
do nhiễu xạ và do tán xạ. Mơ hình này sử dụng tất cả các tính chất điện mơi và tính chất
hình học của các vật thể bao quanh bộ phát và bộ thu. Các chương trình tính tốn dựa trên
kỹ thuật tia như phần mềm Wireless Systems Engineering của Lucent (WiSE), phần mềm
SitePlanner® của Valley, và phần mềm Planet® EV của Marconi được sử dụng phổ biến
cho việc thiết kế hệ thống cho cả mơi trường trong nhà và mơi trường ngồi trời.
Phần tiếp theo ta sẽ trình bày một số mơ hình tia phức tạp hơn. Ta bắt đầu với một
mơ hình hai tia đơn giản, mơ hình này dự đốn sự thay đổi tín hiệu gây ra bởi sự phản xạ
mặt đất. Mơ hình này mơ tả đặc tính truyền lan tín hiệu trong các vùng bị cơ lập và chỉ có
một vài bộ phản xạ, như các đường nơng thơn và các đường cao tốc. Nó khơng phải là mơ
hình tốt cho môi trường trong nhà. Cuối cùng ta sẽ trình bày một mơ hình tổng qt, mơ
hình này dự đốn sự thay đổi của tín hiệu truyền lan cho một mơi trường bất kỳ.

Hình 1.2: Mơ hình tia
Luận văn cao học

Tổ hợp tỷ số cực đại


17

1.4.1. Mơ hình hai tia
Mơ hình hai tia được sử dụng khi phản xạ mặt đất chiếm ưu thế trong số các thành
phần đa đường, như được mô tả trong hình 1.3. Tín hiệu nhận được bao gồm hai thành
phần: Thành phần truyền thẳng LOS, nó là tín hiệu được truyền trong không gian tự do,
và thành phần phản xạ, đó là tín hiệu được truyền bị phản xạ trên mặt đất.

d

Ga

l

Gc
ht

Gb

r


r'

Gd

hr

Hình 1.3: Mơ hình hai tia
Thành phần tín hiệu LOS nhận được từ công thức tổn hao truyền lan trong không
gian tự do (1.3). Tia phản xạ được chỉ ra trong hình 1.3 gồm có hai thành phần r và r’.
Nếu ta bỏ qua ảnh hưởng của sự suy giảm sóng bề mặt thì theo ngun lý chồng chất, tín
hiệu nhận được của mơ hình hai tia là:

j(2l / ) R G u ( t  )e j2(r  r ') / ) 
  G l u ( t )e
r
 cos(2f c t  0 )
r2path ( t )  

4 
l
r  r'




(1.6)



Ở đây   (r  r'l) / c là thời gian trễ của thành phần phản xạ mặt đất so với thành
phần nhìn thẳng LOS,

G l  G a G b là tích số giữa hệ số tăng ích của anten phát với hệ

số tăng ích của anten thu theo hướng LOS, R là hệ số phản xạ mặt đất, và

G r  G cG d

là tích số giữa hệ số tăng ích của anten phát với hệ số tăng ích của anten thu theo hướng r
và r’ tương ứng. Trải trễ của mô hình hai tia chỉ là trễ do phản xạ mặt đất: (r+r’-l)/c.
Nếu tín hiệu truyền là băng hẹp so với thời gian trễ ( B u 1 ) thì u(t) ≈ u(t-τ). Vì
vậy cơng suất của tín hiệu nhận được của mơ hình hai tia đối với trường hợp băng hẹp là:

 2
Pr  Pt  
 4 
Luận văn cao học

R G r e j

l
r  r'

Gl

2
(1.7)

Tổ hợp tỷ số cực đại


18

Ở đây  2(r  r 'l) /  là hiệu số pha giữa hai thành phần tín hiệu nhận được.

Phương trình (1.7) cho thấy nó rất gần với dữ liệu thực tế. Nếu d là khoảng cách theo
chiều ngang giữa các anten, ht là chiều cao của bộ phát, và hr là chiều cao của bộ thu, thì
sử dụng phương pháp hình học có thể thấy:

r  r 'l  (h t  h r ) 2  d 2  (h t  h r ) 2  d 2

(1.8)

Khi d là rất lớn so với ht+hr thì ta có thể sử dụng xấp xỉ chuổi Taylor cho phương
trình (1.8) để nhận được:

2(r  r 'l) 4h t h r


d
Hệ số phản xạ mặt đất nhận được theo [2,14] là:
 

R

sin   Z
sin   Z'

   cos2  / 
 r
r
Trong đó Z  
  r  cos2 

(1.9)

(1.10)
Đối với phân cực đứng
(1.11)
Đối với phân cực ngang

Và  r là hằng số điện môi, đối với đất hoặc bề mặt đường thì nó xấp xỉ ( r 15) .
Từ hình (1.3) và biểu thức (1.10) ta thấy với trường hợp d tương đối lớn, thì r + r’
≈ l ≈ d, θ ≈ 0, Gl ≈ Gr, và R ≈ -1. Thay sự xấp xỉ này vào (1.7) ta có cơng suất tín hiệu
nhận được xấp xỉ là:

2
2
  G   4h h  2
 G h h 
l 
l t r P
t r P 
P 
r  4d   d  t 
2
 t

(1.12)

 
 d

Hay tương đương với suy giảm tính theo dB nhận được là:
Pr(dBm) = Pt(dBm) + 10log10(Gl) + 20log10(hrht) – 40log10(d).

(1.13)
Vì vậy trong giới hạn d lớn, công suất nhận được giảm tỷ lệ nghịch với khoảng
cách d4 và độc lập với bước sóng λ. Tín hiệu nhận được trở nên độc lập với bước sóng λ
vì ta đã bỏ qua hai thành phần đa đường làm thay đổi vùng hiệu dụng của anten thu.
Phương trình (1.13) là một hàm của khoảng cách được mô tả trong hình (1.4) cho trường
hợp f = 900MHz, R = -1, ht = 50m, hr = 15m, Gl = 1, Gr = 1 và cơng suất phát đã được
chuẩn hóa vì vậy đường cong bắt đầu ở 0 dB. Nhìn vào hình này ta có thể thấy khi đạt tới
một khoảng cách tới hạn dc nào đó, sóng đó phải chịu tác dụng của nhiễu tích cực và
nhiễu tiêu cực của hai tia, tạo nên dạng sóng có những điểm cực đại và những điểm cực
Luận văn cao học

Tổ hợp tỷ số cực đại


19

tiểu. Ở khoảng cách dc, thì điểm cực đại cuối cùng được đạt tới, sau đó cơng suất tín hiệu
giảm tỷ lệ với d-4. Ở khoảng cách tới hạn này các thành phần tín hiệu chỉ đóng vai trị tiêu
cực, như thế chúng bị lệch pha ít nhất là . Việc xấp xỉ cho khoảng cách d c có thể nhận
được bằng cách đặt  =  trong phương trình (1.9), nhận được dc = 4hthr/ . Khoảng
cách tới hạn này cũng được trình bày trong hình (1.4), nó chính là bán kính của cell vì tổn
hao đường truyền kết hợp với nhiễu ở bên ngoài cell lớn hơn nhiều so với tổn hao đường
truyền đối với tín hiệu mong muốn ở bên trong cell. Tuy nhiên đặt bán kính cell là d c
thường là cho các cell lớn, như được trình bày trong hình (1.4). Vì các cell nhỏ hơn
thường được quan tâm hơn nhằm mục đích để tăng dung lượng và giảm cơng suất truyền,
nên bán kính cell thường nhỏ hơn nhiều so với dc, như thế với mơ hình truyền lan tín hiệu
hai tia cơng suất giảm trong các cell tương đối nhỏ này là theo bình phương khoảng cách.

Cơng suất thu Pr(dB)

Gr(dB) = 0

log(d)

Hình 1.4: Cơng suất nhận được theo khoảng cách đối với mơ hình hai tia.
Nếu ta tính trung bình cực tiểu và cực đại trong phương trình (1.7), thì tổn hao
cơng suất trung bình nhận được có thể xấp xỉ gần đúng bằng cách chia đường cong tổn
hao công suất thành hai phần. Đối với dgiống như trong khơng gian tự do, có nghĩa là cơng suất giảm tỷ lệ theo bình phương
khoảng cách. Đối với d>dc, thì cơng suất giảm theo khoảng cách theo luật bậc 4 như trong
Luận văn cao học

Tổ hợp tỷ số cực đại


20

phương trình (1.12). Mơ hình này là trường hợp đặc biệt của mơ hình suy giảm kép, mơ
hình này được trình bày chi tiết hơn trong phần 1.6.5 ở dưới, ở đây d c và độ dốc trước và
sau điểm uốn nhận được bằng thực tế. Hai vùng tổn hao đường truyền được trình bày
trong (1.4).
1.4.2. Mơ hình tia tổng qt
Mơ hình tia tổng qt (GRT) có thể được sử dụng để dự đoán độ lớn của trường và
trải trể cho mọi loại nhà và cho mọi cách bố trí của anten. Đối với mơ hình này thì cơ sở
dữ liệu của tịa nhà (chiều cao, vị trí và tính chất điện mơi) và vị trí của bộ phát và bộ
nhận so với các tòa nhà phải được xác định chính xác. Vì các thơng tin này là mang tính
chất riêng, nên mơ hình GRT khơng được sử dụng để thu nhận các lý thuyết tổng quát về
hiệu năng của hệ thống và cấu hình của hệ thống; mà thực chất là nó giải thích cơ chế cơ
bản của truyền lan trong vùng nội thành, và có thể được sử dụng để thu nhận thông tin về
độ lớn và thông tin về độ trễ của tín hiệu cho từng bộ phát và bộ thu riêng.

Phương pháp GRT sử dụng phương pháp quang hình học để truy vết sự truyền lan
của thành phần tín hiệu truyền thẳng và các thành phần tín hiệu phản xạ, cũng như các
thành phần tín hiệu nhiễu xạ và tán xạ từ các tịa nhà. Khơng có giới hạn về số thành phần
đa đường ở vị trí bộ thu: Độ lớn của mỗi thành phần nhận được căn cứ vào vị trí của tịa
nhà và tính chất điện mơi. Nhìn chung thì thành phần tín hiệu truyền thẳng (LOS) và
thành phần tín hiệu phản xạ là các thành phần chiếm ưu thế trong tín hiệu nhận được, vì
sự tổn hao do nhiễu xạ và tán xạ là rất lớn. Tuy nhiên trong các vùng gần với bề mặt tán
xạ và bề mặt nhiễu xạ, nó sẽ gây cản trở đến thành phần truyền thẳng và thành phần phản
xạ, các thành phần đa đường khác này có thể chiếm ưu thế.
Mơ hình truyền lan cho trường hợp chỉ có tín hiệu truyền thẳng và tín hiệu phản xạ
đã được trình bày ở phần trước. Nhiễu xạ hình nêm sẽ cho ta một mơ hình chính xác cho
trường hợp mà ở đó tín hiệu bị nhiễu xạ xung quanh các góc phố, tuy nhiên nhiễu xạ lưỡi
dao thường được dùng hơn vì tính đơn giản hơn của nó. Hình học nhiễu xạ hình nêm
được trình bày trong hình 1.5. Lý thuyết hình học nhiễu xạ cho ta cơng thức dưới đây cho
tín hiệu nhiễu xạ nhận được:
G d e j(2(d  d')) / 

d'
r ( t )  u ( t )D
cos(2f c t  0 )
4
d'
d (d  d ')
(1.14)

Luận văn cao học

Tổ hợp tỷ số cực đại

21

Ỏ đây

G d là hệ số tăng ích của anten, D là hệ số nhiễu xạ, nó phụ thuộc vào

phân cực của tín hiệu, góc hình nêm, góc tới và góc nhiễu xạ ( và ’). Biểu thức lý
thuyết và biểu thức thực nghiệm của D có thể nhận được trong [10] và [9].



'

Bộ thu

d'

Bộ phát

d
Hình 1.5: Nhiễu xạ lưỡi dao

Hơn nữa nhiễu xạ hình nêm, cũng có thể có nhiều tia nhiễu xạ, hay là các tia vừa bị
phản xạ vừa bị nhiễu xạ. Các mơ hình tính đến tất cả các hốn vị có thể của sự phản xạ và
sự nhiễu xạ xem [11,12]; tuy nhiên sự suy giảm của các thành phần tín hiệu tương ứng nói
chung là lớn đến mức mà các thành phần này là khơng đáng kể so với ồn.

s

s'

Bộ phát
Bộ thu
Hình 1.6: Tán xạ
Tia tán xạ được trình bày trong hình 1.6 được chia làm hai đoạn s và s’, có tổn hao
đường truyền tỷ lệ với tích số của s và s’. Sự phụ thuộc này là do việc thêm vào tổn hao
do kéo dài mà tia đó phải chịu sau khi bị tán xạ. Tín hiệu nhận được do tia bị tán xạ được
thể hiện bằng phương trình:

 G s e j(2(s  s') / )
r(t)  u(t)
cos(2f c t  0 )
(4)3 / 2 ss'
Luận văn cao học

(1.15)
Tổ hợp tỷ số cực đại


22

Ở đây  (tính theo m2) là tiết diện ngang của vật tán xạ, nó phụ thuộc vào mức độ
gồ ghề, kích thước và hình dạng của vật tán xạ, và

G s là hệ số tăng ích của anten. Mơ

hình này giả thiết rằng tín hiệu truyền lan từ bộ phát tới vật tán xạ dựa trên nguyên lý
truyền lan trong khơng gian tự do, và sau đó được bức xạ lại bởi vật tán xạ với công suất
phát bằng  lần công suất nhận được ở vật tán xạ. Từ (1.15) tổn hao đường truyền do tán
xạ là:
PrdBm=PtdBm+10log10(Gs)+10log10()-30log(4)-20log(s)-20log10(s’)

(1.16)

Giá trị thực tế của 10log10() cho các tòa nhà khác nhau trong một số thành phố có
thể tham khảo [13]. Các kết quả từ nghiên cứu này cho thấy rằng dBm2 = 10log10 có
giá trị nằm trong dải –4.5dBm2 tới 55.7dBm2, ở đây dBm2 là giá trị tính theo dB của 
theo m2.
Tổng điện trường nhận được được xác định từ sự chồng chất của tất cả các thành
phần tín hiệu đa đường. Vì vậy nếu có một tín hiệu truyền thẳng, Nr sóng phản, Nd tia
nhiễu xạ, và Ns tia tán xạ thì tín hiệu nhận được có dạng:


j( 2l) /  N r R i G r u ( t  i )e j( 2ri ) / 
G
u
(
t
)
e
 
l
i
rtotal( t )    

 4 
l
ri
i 1



N d D i G d u ( t   i )e
i
 
d i'
i 1

j( 2(d i  d i' )) / 

d i'

(1.17)

d i (d i'  d i )

j( 2(s i  s i' )) /  
N s  i G s u ( t  i )e

i
 cos(2f c t   0 )

'

s
s
i 1
i i

Ở đây i là trễ thời gian của thành phần đa đường thứ i.
Bất cứ một thành phần đa đường nào cũng có thể có thêm vào một hệ số suy giảm
nếu đường truyền lan của nó bị cản trở bởi các tòa nhà hay các vật thể khác. Trong trường

hợp này, hệ số suy giảm của vật cản được nhân với hệ số tổn hao đường truyền của thành
phần đó trong phương trình (1.17). Sự tổn hao suy giảm này sẽ thay đổi nhiều, phụ thuộc
vào chất liệu và độ dày của vật thể. Các mơ hình cho tổn hao ngẫu nhiên do suy giảm
được trình bày trong phần 1.7: Tổn hao suy giảm trung bình khoảng 12dB thường được
sử dụng, là giá trị trung bình của các giá trị đo thực tế.

Luận văn cao học

Tổ hợp tỷ số cực đại


23

1.5. Mơ hình tổn hao đƣờng truyền đƣợc đơn giản hóa
Sự phức tạp của truyền lan tín hiệu làm cho ta khó có thể có được một mơ hình
đơn giản để mơ tả đặc tính tổn hao đường truyền một cách chính xác cho các loại mơi
trường khác nhau. Các mơ hình tổn hao đường truyền chính xác có thể có được từ các mơ
hình tia phức tạp hoặc từ các giá trị đo đạc thực tế khi đó các chi tiết kỹ thuật của hệ
thống phải được đáp ứng hoặc các vị trí tốt nhất cho các trạm cơ sở hay cách bố trí các
điểm truy cập phải được xác định. Tuy nhiên trong việc thiết kế hệ thống thì tốt nhất ta sử
dụng một mơ hình đơn giản, mơ hình mơ tả được bản chất của truyền lan tín hiệu mà
khơng cần đến các mơ hình tổn hao đường truyền phức tạp. Vì vậy mơ hình được đơn
giản hóa dưới đây cho tổn hao đường truyền là một hàm của khoảng cách thường được sử
dụng cho việc thiết kế hệ thống:

d 
Pr  Pt K  0 
d 



(1.18)

Suy giảm tính theo dB là:

d 
(1.19)
Pr (dBm)  Pt (dBm)  K (dBm) 10  log10  
d
 0
Trong xấp xỉ này, K là một hằng số khơng có thứ ngun, nó phụ thuộc vào các
đặc tính truyền lan, các đặc tính của anten, và sự suy giảm trung bình do các vật cản gây
ra, d0 là khoảng cách tham chiếu đối với trường xa của anten, và  là số mũ tổn hao đường
truyền. Do hiện tượng tán xạ trong trường gần của anten, mơ hình (1.18) nhìn chung chỉ
đúng ở khoảng cách truyền d>d0, ở đây d0 giả thiết là bằng 1 – 10m đối với môi trường
trong nhà và 10 – 100m đối với môi trường ngồi trời. Gía trị K<1 thường được dùng cho
tổn hao đường truyền trong không gian tự do ở khoảng cách d0:
K(dB)  20 log10 (4d 0 ) / 
(1.20)
Và giả thiết này được dựa trên dữ liệu thực tế. Mặt khác K có thể được xác định
bằng các giá trị đo ở khoảng cách d0 hoặc được tối ưu để làm cực tiểu MSE (sai số bình
phương trung bình) giữa mơ hình đó và các giá trị đo đạc được từ thực tế. Giá trị  phụ
thuộc vào môi trường truyền lan: Đối với truyền lan trong không gian tự do hoặc theo mơ
hình hai tia thì  tương ứng được thiết lập là 2 hoặc 4. Giá trị  cho các mơi trường phức
tạp hơn có thể được xác định qua sai số bình phương trung bình tối thiểu (MMSE) đối với
giá trị thực tế đo đạc được. Mặt khác  có thể nhận được từ mơ hình dựa trên thực tế, mơ
hình này tính đến cả tần số và chiều cao của anten. Một bảng tóm tắt các giá của  cho các

Luận văn cao học

Tổ hợp tỷ số cực đại

24

mơi trường trong nhà và ngồi trời ở tần số 900MHz nhận được như dưới đây. Số mũ tổn
hao đường truyền ở các tần số cao hơn có khuynh hướng lớn hơn. Ta thấy rằng các giá trị
số mũ tổn hao đường truyền thực tế đối với truyền lan trong nhà trải dài trong một dãy rất
rộng có thể là do suy giảm tạo ra bởi các sàn nhà, các vật thể, và các vách ngăn. Các ảnh
hưởng này được thảo luận một cách chi tiết hơn trong phần 1.6.4.
Môi trường

Giá trị 

Các cell lớn vùng thành thị

3.7 – 4.3

Các cell nhỏ vùng thành thị

2.7 – 3.5

Các tòa nhà văn phịng có tầng giống nhau

1.6 – 3.5

Các tịa nhà văn phịng có tầng khác nhau

2–6

Các cửa hàng

1.8 – 2.2

Các xí nghiệp

1.6 – 3.3

Nhà ở

3

Bảng 1.1: Các số mũ tổn hao đường truyền điển hình
1.6. Các mơ hình tổn hao đƣờng truyền thực tế
Hầu hết các hệ thống truyền thông di động hoạt động trong các môi trường truyền
lan phức tạp mà nó khơng thể được mơ tả một cách chính xác bằng tổn hao đường truyền
trong mơ hình khơng gian tự do, mơ hình tia, và mơ hình được đơn giản hóa. Một số
lượng lớn các mơ hình tổn hao đường truyền đã được phát triển qua nhiều năm để dự
đốn tổn hao đường truyền trong các mơi trường vơ tuyến như các cell vĩ mô vùng nội
thành, các cell vi mô vùng nội thành, và gần đây hơn là cho các mơi trường trong nhà.
Các mơ hình này chủ yếu dựa trên các giá trị thực tế đo đạc được đối với một khoảng
cách đã cho trong dãy tần số đã cho và trong vùng địa lý hay các tịa nhà đã biết. Tuy
nhiên ứng dụng của các mơ hình này khơng bị hạn chế đối với các mơi trường mà ta đã có
các giá trị đo đạc thực tế, nó làm cho các mơ hình dựa trên thực tế được áp dụng cho các
môi trường tổng quát hơn chính xác một cách đáng ngờ. Nhiều hệ thống vơ tuyến sử dụng
các mơ hình này làm cơ sở cho việc phân tích hiệu năng. Trong phần thảo luận của ta
dưới đây sẽ bắt đầu với các mơ hình thơng dụng cho các cell vĩ mô vùng nội thành, sau đó
sẽ mơ tả các mơ hình gần đây cho cell vi mơ ngồi trời và trong nhà.

Luận văn cao học

Tổ hợp tỷ số cực đại


25

1.6.1. Mơ hình Okumura
Một trong những mơ hình thơng dụng nhất để dự đốn tín hiệu trong các cell vĩ mơ
vùng nội thành là mơ hình Okumura. Mơ hình này có thể áp dụng cho khoảng cách nằm
trong khoảng từ 1 – 100 km và trong khoảng tần số từ 150 –1500 MHz. Okumura đã sử
dụng các giá trị đo mở rộng của trạm cơ sở cho sự suy giảm tín hiệu di động trong tồn
Tokyo để lập ra một tập đường cong dự đốn sự suy giảm của tín hiệu trong những vùng
địa hình khơng theo quy luật. Chiều cao của trạm cơ sở cho các giá trị đo này là 30 – 100
m, nó cao hơn các trạm cơ sở ngày nay. Cơng thức tính tổn hao đường truyền của
Okumura là:
L50(dB) = Lf + Amu(f,d) – G(ht) – G(hr) – GAREA
(1.21)
Ở đây d là khoảng cách giữa bộ phát và bộ thu, L50 là giá trị trung vị (giá trị thứ
50) của tổn hao truyền lan tín hiệu, Lf là tổn hao trong không gian tự do, Amu là sự suy
giảm trung vị thêm vào trong không gian tự do, G(ht) = 20log10 (ht/200) là hệ số khuyếch
đại chiều cao anten trạm cơ sở đối với chiều cao ht nằm giữa 30 và 100m, G(hr) = 10log10
(hr/3) là hệ số khuyếch đại chiều cao anten di động đối với chiều cao hr nhỏ hơn 3 m, và
GAREA là độ khuyếch đại tùy theo loại môi trường. Giá trị Amu và GAREA nhận được từ các
đường thực tế của Okumura. Okumura đưa ra công thức thực tế cho G(ht) và G(hr) là:
G(ht) = 20log10 (ht/200), 30m(1.22)

10 log (h / 3) ,


10 r

G (h )  
r
20 log (h / 3) ,

10 r


h  3m
r
3m  h  10 m
r

(1.23)
Các hệ số hiệu chỉnh liên quan đến địa hình được sử dụng nhằm mục đích cải thiện
độ chính xác của mơ hình. Mơ hình Okumura có độ lệch chuẩn nằm trong khoảng 10 – 14
dB giữa tổn hao đường truyền được dự đốn bởi mơ hình đó và các giá trị đo đạc thực tế
trong các hệ thống tế bào nội thành và ngoại ơ.
1.6.2. Mơ hình Hata
Mơ hình Hata là một công thức thực tế của dữ liệu tổn hao đường truyền được
cung cấp bởi Okumura và là một mơ hình chính xác đối với dãy tần số từ 150 – 1500
MHz. Các mơ hình thực tế này làm đơn giản việc tính tốn tổn hao đường truyền vì nó là
cơng thức gần đúng và khơng dựa trên đường cong thực tế đối với các tham số khác nhau.
Công thức chuẩn cho tổn hao đường truyền trung vị trong các vùng nội thành đối với mơ
hình Hata là:

Luận văn cao học

Tổ hợp tỷ số cực đại

26

L50,nộiđô(dB) = 69.55 + 26.16log10(fc) – 13.82log10(hte) – a(hre) +
(44.9–6.55log10(hte))log10(d)

(1.24)

Các tham số trong mơ hình này giống với các tham số trong mơ hình Okumura, và
a(hre) là hệ số hiệu chỉnh cho chiều cao anten di động căn cứ vào kích thước của vùng phủ
sóng. Đối với các thành phố có kích thước trung bình và nhỏ, hệ số này nhận được bởi:
a(hr) = (1.1log10(fc) - 0.7)hr – (1.56log10(fc)-0.8)dB,
Và đối với các thành phố lớn hơn (fc>300 MHz ) là:
a(hr) = 3.2(log10(11.75hr ))2– 4.97dB
Có thể thực hiện thay đổi từ mơ hình vùng nội đơ thành mơ hình truyền lan vùng
ngoại ơ và vùng nơng thơn, vì thế các mơ hình này tương ứng là:
L50,ngoại ơ(dB) = L50,nội đơ(dB) – 2[log10(fc/28)]2 – 5.4

(1.25)

L50,nôngthôn(dB)=L50,nộiđô(dB) – 4.78[log10(fc)]2 + 18.33log10(fc) – K

(1.26)

Ở đây K nằm trong khoảng từ 35.94 (đối với vùng nông thơn) tới 40.94 (đối với
vùng sa mạc). Mơ hình Hata không cung cấp bất kỳ một hệ số hiệu chỉnh xác định đường
truyền nào cả, vì nó đã có sẵn trong mơ hình Okumura. Mơ hình Hata xấp xỉ gần giống
với mơ hình Okumura đối với khoảng cách d > 1 km. Vì vậy nó là một mơ hình tốt cho hệ
thống tế bào thế hệ đầu, nhưng không phải là mơ hình truyền lan tốt cho các hệ thống tế
bào hiện tại có kích thước tế bào nhỏ hơn và tần số lớn hơn. Mơ hình Hata cũng khơng
được sử dụng trong các mơi trường trong nhà.

1.6.3. Mơ hình đa suy giảm
Phương pháp thông dụng cho việc mô tả tổn hao đường truyền trong các cell nhỏ ở
ngoài trời và các kênh trong nhà là mơ hình đa suy giảm. Sự xấp xỉ này được mơ tả trong
hình 1.7 cho suy giảm theo khoảng cách, ở đây các điểm chấm biểu diễn các giá trị đo
thực tế mang tính giả định và mơ hình đa suy giảm biểu diễn việc xấp xỉ với các giá trị đo
này. Mơ hình đa suy giảm có N đọan xác định N-1 điểm uốn d1….,dN-1 và các mức suy
giảm tương ứng với mỗi đoạn là s1,….,sN. Có nhiều phương pháp khác nhau có thể được
sử dụng để xác định số điểm uốn và vị trí của các điểm uốn được sử dụng trong mơ hình.
Một khi điều này được xác định thì các mức suy giảm tương ứng với mỗi đoạn có thể
nhận được bằng việc truy hồi tuyến tính. Mơ hình đa suy giảm được sử dụng để mô tả tổn
hao đường truyền cho các kênh ngoài trời và cho các kênh trong nhà.
Trường hợp riêng của mơ hình đa suy giảm là mơ hình suy giảm kép. Mơ hình suy
giảm kép được đặc trưng bởi hệ số tổn hao đường truyền K và số mũ tổn hao đường

Luận văn cao học

Tổ hợp tỷ số cực đại