Seminar: Phân tích kênh truyền, Fading và mô hình truyền sóng vô tuyến

Seminar: Phân tích kênh truyền, Fading và mô hình truyền sóng vô tuyến

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN TP HỒ CHÍ MINH

KHOA ĐiỆN TỬ - ViỄN THÔNG

CAO HỌC KHÓA 17

PHÂN TÍCH KÊNG TRUYỀN ,FADING VÀ

MÔ HÌNH TRUYỀN SÓNG VÔ TUYẾN

SẸMINAR

GVHD : TS Lê Quốc Cường HVTH : Bùi Xuân Nguyên

• 1.5 Đo giảm âm cực nhỏ

• 1.6 Antenna đa năng

1.1 Giới thiệu

• Trong chương 2 chúng ta đã được khảosát mối liên hệ qua lại công suất thôngtin của dải thông tin không dây trênkênh MIMO.Trong seminar này sẽ khảosát kênh truyền sóng và fading Tiếp đó

sẽ thảo luận một vài mô hình truyền vàkhảo sát các loại kỹ thuật khác nhau

1.2 Sóng truyền vô tuyến di động

• Kênh vô tuyến di động có nhiều hạnchế về hiệu suất của hệ thống vôtuyến.Đường truyền có thể thay đổi

từ đường thẳng thành đường phứctạp và gây nghẽn bởi các cao ốc vàtán lá cây

1.2 Sóng truyền vô tuyến di động (tt)

Hình 1.1

1.2.1 Phản xạ (Reflection)

• Phản xạ thường xuất hiện từ bền mặtcủa trái đất và va chạm các toànnhà

Hệ số phản xạ là một hàm phụ thuộcvào sự phân cực sóng,góc tới và tần

số của sóng truyền

1.2.1 Phản xạ (Reflection)

Hình 1.2

1.2.2 Nhiễu xạ(diffraction)

• Nhiễu xạ xuất hiện tại cạnh chắn của vật thể có kích thước có thể so sánh với bước sóng.Tia sóng bị uốn cong theo độ cong của bề mặt vật chắn.

Hình 1.3

1.2.3 Tán xạ (scattering)

• Tán xạ xảy ra khi sóng vô tuyến vachạm vào bề mặt gồ ghề năng lượngphân tán dải rộng toàn bộ vùng phântán

1.2.3 Tán xạ (scattering)

Hình 1.4

1.2.4 Đa đường (Multipath)

Hình 1.5

1.3.1 Mô hình truyền tự do

trong không gian

• Nếu hướng thông số đường thẳnggiữa máy phát và máy thu bị mất đithì chúng ta dùng đến mô hìnhkhông gian tự do.Hệ thống vệ tinh vàviba kết nối đường thẳng vô tuyếnđưa vào không gian truyền tự do

1.3 Một số mô hình truyền

1.3.1 Mô hình truyền tự

do trong không gian

• Trong mô hình này công suất dựđoán được phân ra với khoảng từmáy phát theo những luật công suấtthường là khoảng cách bề rộng từmáy phát.Vùng công suất tự do máythu bởi một antenna là khoảng cách

d từ máy phát cho bởi công thức

sau

1.3.1 Mô hình truyền tự

do trong không gian

• P t là công suất máy phát

• P r (d) là công suất máy thu.

• G1,G2 lần lượt là độ lợi của antenna

truyền và antenna thu.

• L là suy giảm của hệ thống không liên

quan tới truyền (L ≥ 1)

• λ là chiều dài của sóng đơn vị là m

 

1.3.1 Mô hình truyền tự

do trong không gian

• ƒ là tần số sóng mang đv : Hz

• C=3.108(m/s)

• Pt và Pr phải biểu diễn đúng đơn vị

• Suy hao hỗn hợp (L ≥ 1)thường gồmđường phát suy giảm,lọc suy giảm vàantenna suy giảm trong hệ thốngviễn thông

1.3.1 Mô hình truyền tự

do trong không gian

• L=1 cho biết hệ thống phần cứng không suy hao.

• Công suất máy thu phân ra với khoảng cách với tốc độ 20 dB/decade.

1.3.1 Mô hình truyền tự

do trong không gian

• Chúng ta định nghĩa một bức xạđẳng hướng bởi vì ý tưởng antennatỏa ra công suất với độ lợi như nhautrong toàn bộ phương hướng vàthường sử dụng độ lợi antenna trong

hệ thống viễn thông

1.3.1 Mô hình truyền tự

do trong không gian

• Hệ số công suất bức xạ đẳng hướngEIRP (effective isotropic radiatedpower)

1.3.1 Mô hình truyền tự

do trong không gian

• Tương ứng với công suất có thể phát ra lớn nhất từ máy phát về hướng độ lợi antenna lớn nhất so với phát ra đẳng hướng Trong thực tế độ lợi antenna đơn vị là dBi ( độ lợi dB đối với antenne đẳng hướng ).

1.3.1 Mô hình truyền tự

do trong không gian

• Đường suy giảm (path loss),là sốlượng của sự suy giảm bởi tín hiệu(dB)là sự chênh lệch năng lượngtruyền và công suất thu và cho bởicông thức sau :

1.3.1 Mô hình truyền tự

do trong không gian

• Chú ý quan trọng nhất của mô hình không gian tự do là có thể áp dụng được duy nhất trong socalled vùng xa của antenne truyền ở trong khu vực Frauhofer và có công thức như sau

• D là kích thước chiều dài tuyến tính vật lý





1.3.1 Mô hình truyền tự

do trong không gian

Sau đây tỉ lệ mô hình truyền lớn sử

dụng gần trong khoảng cách d 0 côngsuất máy thu biết được liên quan đếnpoint.Công suất máy thu ở khoảng

cách d > d 0 liên quan đến Pr và d 0

• Độ lớn Pr(d 0 ) có thể dự báo ngoại

suy từ công thức (1.2)

• Trong môi trường sóng vô tuyến công suất ở máy thu liên quan đến nhiều điểm (point ) ở khoảng

cách d0 từ máy truyền.

1.3.1 Mô hình truyền tự

do trong không gian

1.3.1 Mô hình truyền tự

do trong không gian

• Khoảng cách liên quan phải chọn phù hợp trong khu vực xa (far –

field).(d0 > df) và d0 chọn nhỏ hơn khoảng cách thực tế sử dụng trong hệ thống truyền thông di động

1.3.1 Mô hình truyền tự

do trong không gian

• Từ (1.2) công suất máy thu trong không gian tự do ở khoảng cách tốt hơn d0 như sau :

2 0

• Trong hệ thống vô tuyến di động

Pr thay đổi nhiều về cường độ khi vượt qua khu vực tín hiệu được phát ra một vài m2.Trong tầm quan sát của dải động lớn của mức độ công suất máy thu

1.3.1 Mô hình truyền tự

do trong không gian

• Đơn vị dBm hoặc dBW sử dụng biểu diễn mức độ công suất của máy thu.dBm là công suất trong dBs nói tới 1 milliwatt.

1.3.1 Mô hình truyền tự

do trong không gian

(1.9)

1.3.1 Mô hình truyền tự

do trong không gian

• Ví dụ 1 :Tìn khoảng cách của antenna với

kích thước lớn nhất 2m và tần số dao động 900MHz

1.3.1 Mô hình truyền tự

do trong không gian

• Ví dụ 2 : Nếu công suất của máy phát là

50W biểu diễn đơn vị công suất truyền (a) dBm và (b) dBW.Nếu 50W ứng với antenna có độ lợi là 1, tìm công suất máy thu dBm ở khoảng cách không gian tự do 100m từ antenna.Pr ở 10km ? cho độ lợi antenna nhận là 2 và hệ thống không nhiễu

Pt(dBW)=10 log [ Pt(W)/(1W)]

=10 log [50] = 17 dBW

Ví dụ 2 (tt)

Công suất máy áp dụng (1.2)

1.3.1 Mô hình truyền tự

do trong không gian

• Công suất máy thu 10km có thể biểudiễn bằng dBm sử dụng (1.9)

• d0 = 100m và d = 10 Km

Pr(10Km)=Pr(100)+20log[100/10000]

= -21.6 – 40 dB = -61.6 dBm

1.3.2 Mô hình truyền

ngoài trời

• Số mô hình truyền có thể dự báo suy hao.Mô hình khác nó có khả năng dự đoán cường độ tín hiệu tại điểm máy nhận cụ thể hoặc khu vực riêng (gọi là sector)

1.3.2.1 Mô hình Okumura

• Đây là mô hình được sử dụng rộng rãi ở khu vực thành phố.Có thể áp dụng ở dải tần số 150 đến 1920MHz và có thể lên tới 3Ghz và khoảng cách 1 tới 100Km.Có thể dùng ở trạm antenna cơ bản trong khoảng chiều cao từ 30 tới 1000m

L 50 (dB)=L f +A mu (f,d)–G(h te )–G(h re )-G AREA (1.10)

• G area là độ lợi phụ thuộc vào môi trường

Hình 1.6 Đường cong A(f.d)

1.3.2.1 Mô hình Okumura(tt)

Hình 1.7 đường cong GARGEA

1.3.2.1 Mô hình Okumura(tt)

• Ví dụ 3: Tìm suy hao sử dụng mô hình

Okumura d = 50 Km, hte = 100m,hre = 10m trong môi trường ngoại ô.Nếu trạm phát phát ra EIRP là 1KW tần số mang là 900MHz tìm công suất máy thu(biết độ lợi antenna thu là 2 ).

• Và GAREA = 9 dB Sử dụng (1.11) và (1.13)

• G(htr ) = 20 log(hte / 200)

G(htr ) = 20 log (100/200) = -6 dB

• G(hre ) = 250 log (hre / 3) = 20 log(10/3) G(hre ) = 10.46 dB

Ví dụ 3 (tt)

1.3.2.1 Mô hình Okumura(tt)

1.3.2.2 Mô hình Hata

• Là mô hình mà công thức trình bày đường suy hao dữ liệu được cung cấp bởi Okumura và có hiệu lực từ 150 tới 1500MHz

• Công thức đường suy hao truyền ở khu vực đô thị như sau :

50(urban)( ) 69.55 26.16log 13.82log

• ƒc là từ 150 tới 15000 Mhz,hte là chiều cao của antenna truyền đơn vị m dải từ 30 tới 200m,hre là chiều cao của antenna nhận đơn

vị là m trong dải từ 1 tới 10m

• d là khoảng cách T – R (km) và a (hre) là hệ

số hiệu chỉnh chiều cao antenna di động.Hệ

số hiệu chỉnh có công thức như sau :

a (hre) = (1.1 log fc – 0.7)hre

- (1.56 log fc -0.8) dB (1.15)

1.3.2.2 Mô hình Hata(tt)

Đối với thành phố lớn

a (hre) = 8.29 (log 1.54 hre )2 – 1.1 dB khi fc ≤ 300MHz (1.16)

a (hre ) = 3.2(log 11.75 hre )2 – 4.97dB khi fc ≥ 300MHz (1.17)

1.3.2.2 Mô hình Hata(tt)

• Thu được đường suy hao ở khu vực ngoại ô công thức Hata phổ biến là

• Và đường suy hao đối với vùng nông thôn là

f

1.4 Fading tỉ lệ nhỏ(small scale fading)

• Tỉ lệ Fading nhỏ thường do dao độngnhanh của biên độ,pha hoặc tích hợptrì hoãn của của tín hiệu vô tuyếnqua thời gian ngắn hoặc khoảng cách

di chuyển do đó tỉ lệ suy giảm đôi khi

có thể được lờ đi

• Fading là nguyên nhân số lượng tínhiệu tới điểm thu thông qua đườngkhác nhau dẫn tới giảm sự ổn địnhcủa tín hiệu tổng các vetor của tínhiệu hoặc trừ đi sự duy giảm của tínhiệu,phụ thuộc vào pha và giá trị củabiên độ.Tín hiệu khác nhau nhiềuhơn tín hiệu chính gọi là tích hợpđường sóng (multipath waves)

1.4 Fading tỉ lệ nhỏ(tt)

• Tích hợp trong kênh vô tuyến tạo ra hiệu ứng Fading diện hẹp.

• Hiệu ứng thường định nghĩa bởi nguyên nhân sau :

• Thay đổi nhanh cường độ tín hiệu vượt qua khoảng cách di chuyển nhỏ

• Tần số điều biến ngẫu nhiên biến đổi đường tín hiệu khác nhau

• Thời gian phân tán (tiếng dội) nguyên nhân làm trì hoãn nhiều đường truyền.

1.4 Fading tỉ lệ nhỏ(tt)

1.4.1 Fading cực nhỏ

Fading cực nhỏ quy vào dao dộngnhanh của tín hiệu nhận trong khônggian,thời gian và tần số nguyên nhân

do tắt phân tán giữa máy thu và máynhận.Tín hiệu hình bao của máynhận được Rayleigh miêu tả bởi côngthức sau

1.4.1 Fading cực nhỏ

• Ω là công suất trung bình máy thu và u(x) là hàm bậc như sau

22

1.4.1 Fading cực nhỏ(tt)

• Nếu dường suy giảm giữa máy nhận

và máy thu,tín hiệu hình bao khôngdài hơn Rayleigh và tín hiệu phân tángọi là Ricean.Sự phân tán tín hiệuRicean thường liên quan đến hệ sốRicean K Tín hiệu hình bao RiceanBDF có công thức như sau:

• I0 là hàm Bassel giảm bậc zero như

0

1 ( )

• Nếu hướng đường tín hiệu mất thìK= 0 và Ricean PDF rút gọn lạiRayleigh PDF

• I 0 (0) = 1 Hình 1.7 kết hợp hiệu

ứng đi của đường suy giảm và giảm

âm cực nhỏ ở công suất máy thutrong kênh vô tuyến

1.4.1 Fading cực nhỏ(tt)

1.4.1 Fading cực nhỏ(tt)

• Chúng chú ý hình 1.7 dải trung bình giảm tín hiệu truyền tăng đều đều Độ lệch địa phương (local deviations) trung bình tìm thấy cực nhỏ và giảm âm cực nhỏ.

Hình 1.7

1.4.1 Fading cực nhỏ(tt)

1.4.1.1 Lựa chọn Fading thời

gian truyền của sóng âm

• Thời gian sóng âm không ổn định bởi vì chuyển động của tán xạ hoặc chuyển máy phát hoặc máy thu hoặc cả hai kết quả sóng âm truyền đi

1.4.1.1 Lựa chọn Fading thời

gian truyền của sóng âm

• Giới hạn truyền đi thực tế thường biểu thị tone tần số nguyên gốc

fc truyền đi hai bên có giới hạn băng thông là (fc ± fmax) Mối quan hệ giữa các hàm của tín hiệu được đinh nghĩa bởi hàm Wiener – Khinchin

Hàm số chuyển Fourier thời gian tự động tương quan của kênh trả lời tới sóng liên tục (CV) tone là phổ công suất sóng âm ΨDo(f) với fc - fmax ≤ f ≤ f + fMax

Hình 1.8 a

Hình 1.8 b

1.4.1.1 Lựa chọn Fading thời gian truyền của sóng âm(tt)

• Phổ công suất sóng âm là lớp U có hình đáng được chỉ rõ và gần với mô hình Jakes.Sự thay đổi sóng âm biểu thị tín hiệu truyền bởi fd

1.4.1.1 Lựa chọn Fading thời

gian truyền của sóng âm

• Bình phương tối thiểu (RMS) băngthông của ΨDo(f) gọi là sóng âmtruyền đi có công thức như sau :

Là tần số trung bình sóng âm truyềnđi.

Trường hợp sóng được truyền đi suygiảm là giảm tần số fd.Chúng ta gắnthời gian của kênh là :

1.4.1.1 Lựa chọn Fading thời

gian truyền của sóng âm

• Tc là thời gian trễ của tín hiệu tựđộng tương quan có hệ số rút gon là0.7.Phổ sóng âm của máy thu diđộng tốc độ di chuyển là hằngsố.Mặc dù trong kênh vô tuyến cốđịnh máy thu là tĩnh nhưng nó lạichuyển động trong môi trường.Trongtrường hợp sóng âm được truyền đinhư hình 1.8b

1.4.1.1 Lựa chọn Fading thời

gian truyền của sóng âm

• Trong hình 1.8b phía bên trái của đồthị biểu thị sóng âm truyền đi thấp

và phía bên phải là sóng âm truyền

đi ở mức cao Mức độ cong ở chiềucao của sóng âm thay đổi theo cấp

độ nhiễu.Nếu di chuyển gần di động,sóng âm hợp thành có thể tìm thấy

ở tấn số cao nhưng hình dạng sóng

âm truyền đi sẽ giống nhau

1.4.1.2 Lựa chọ Fading tần số

truyền đi trì hoãn

• Tỉ lệ biến đổi nhỏ của tín hiệu vôtuyến di động có thể liên quan lậptức đáp ứng xung lực kênh vô tuyến

di động Nó xuất phát từ thực tếkênh vô tuyến di động mô hình nhưmột lọc tuyến tính với đáp ứng xunglực thời gian không ổn định,thời gianbiến thiên bởi vì máy thu di chuyểntrong không gian

1.4.1.2 Lựa chọ Fading tần

số truyền đi trì hoãn

• Lọc tự nhiên của kênh gây ra bởitổng của biên độ và trì hoãn tổnghợp của sóng Mặc dù vậy đáp ứngxung lực mô tả kênh bởi vì nó có thể

sử dụng để dự báo và so sánh hiệusuất của hệ thống thông tin di độngkhác và độ rộng băng thông truyềnliên quan đến kênh

1.4.1.2 Lựa chọ Fading âm tần số truyền đi trì hoãn

• So sánh nhiều đường kênh khácnhau và phát triển thiết kế một vàinguyên tắc điều khiển hệ thống vôtuyến ,thông số làm chuẩn để xácđịnh đường kênh

• Thông số đó vượt qua giá trị trung bình trì hoãn ,trì hoãn bình phương tối thiểu truyền đi và vượt qua trì hoãn truyền đi và có thể xác định từ suất trì hoãn được biêw diễn ở hình 1.9

1.4.1.2 Lựa chọ Fading tần

số truyền đi trì hoãn

Hình 1.9 ví dụ công suất trì hoãn ngoài trời

1.4.1.2 Lựa chọ fading tần

số truyền đi trì hoãn

• Trì hoãn quá mức trung bình (Meanexcess delay) : là khoảng thời gianngắn nhất của trì hoãn công suất

P P

• Trì hoãn bình phương tối thiểu truyền

đi (RMS delay spead) :

1.4.1.2 Lựa chọ fading tần

số truyền đi trì hoãn

• Trì hoãn tương đối đều đặn tín hiệuđến thứ nhất có thể dò ra tại maythu τ0=0.hàm (1.28) đến (1.30)không dựa vào mức độ công suất

tuyệt đối P(τ),nhưng duy nhất tương

quan biên độ hợp thành không vượt

quá P(τ).

1.4.1.2 Lựa chọ Fading tần

số truyền đi trì hoãn

• Giá trị của trì hoãn bình phương tối thiểu truyền đi là bậc của một phần triệu giây (microseconds) trong kênh vô tuyến di động ngoài trời và là bậc 1/109 giây (nanoseconds) đối với kênh vô tuyến trong nhà

1.4.1.2 Lựa chọ Fading tần

số truyền đi trì hoãn

• Trì hoãn vượt qua cực đại (X dB)(Maximum excess delay) : Là thờigian trì hoãn thông qua giảm nănglượng tổng hợp các đường tới XdBdưới giá trị tối đa.nghĩa là trì hoãn

vượt qua giá trị lớn nhất là τ x – τ 0 ,

τ 0 là tín hiệu tới thứ nhất và τ x là trìhoãn cực đại

1.4.1.2 Lựa chọ Fading tần

số truyền đi trì hoãn

• Kết hợp những đường không vượtqua X dB của các đường tín hiệu đếnmạnh nhất hình 1.9 biểu đồ minhhọa của trì hoãn vượt qua giá trị lớnnhất kết hợp nhiều đường khôngvượt qua 10 dB của giá trị lớnnhất.Trì hoãn vượt qua giá trị lớnnhất mang tới một ngưỡng

1.4.1.2 Lựa chọ Fading tần

số truyền đi trì hoãn

• Trong thực tế giá trị ,và σλ tùy theo chọn ngưỡng nhiễu từ P(τ).Ngưỡng nhiễu thường khác nhau giữa kết hợp giữa nhiều đường máy thu và nhiễu nhiệt.

• Lựa chon tần số giảm có thể mô tả gắn với

độ rộng băng thông Bc Tần số trễ rút gọn

là 0.7.Chúng ta có độ rộng băng thông gắn với công thức sau :

•

Bc = 1 / στ (1.31)

1.4.1.3 Số đo của hệ số Rician K

• Đây là một phương pháp kỹ thuật hệ

số Rician K từ công suất Chúng tagiải một ví dụ :

• Ví dụ 4: tính trì hoãn quá mức trung

bình ,trì hoãn RMS truyền đi và trìhoãn vượt quá giá trị lớn nhất (10dB)

từ hinh 1.10.Ước lượng độ rộng băngthông của kênh

1.4.1.4 Lựa chọn Fading

không gian truyền đi

• Góc truyền đi tại máy thu nói đếngóc tới (AOA) của nhiều kênh tạiantenna thu.Tương tự góc lệchhướng (AOD) tại máy phát nhiềukênh trong phạm vi của máy nhậngọi là góc truyền đi của máy phát

1.4.1.4 Lựa chọn Fading

không gian truyền đi

• Chúng ta biểu thị AOA là θ Thay thế

τ bởi θ ta có góc truyền đi RMS là

P P

Phổ góc nghiêng đặc trưng hình 1.8

Hình 1.11 Typical angle spectrum A( ) 

1.4.1.4 Lựa chọn Fading

không gian truyền đi

• Góc truyền đi RMS tương tự như RMStruyền đi trì hoãn.Góc đối xứng tínhiệu tới thứ nhất dò được tại máy thu

θ0 = 0

• Hàm 1.32 và 1.33 không phụ thuộcvào mức độ công xuất P(θ),nhưngduy nhất biên độ phụ thuộc vào côngxuất P(θ)