Đồ án tốt nghiệp về phủ sóng thông tin di động trong khu vực tòa nhà

Trờng Đại học Bách Khoa Hà Nội Đồ án tốt nghiệp cao học Nguyễn Song Tùng- Cao học ĐTVT 2004 -1- CHƯƠNG 1. CáC MÔ HìNH TRUYềN SóNG Mục tiêu: Tìm hiểu các mô hình truyền sóng. Nắm vững phạm vi ứng dụng của các mô hình truyền sóng. Có khả năng áp dụng kiến thức để phát hiện ra mô hình truyền sóng mới. Tính toán suy hao của tín hiệu vô tuyến trong các môi trờng. Trờng Đại học Bách Khoa Hà Nội Đồ án tốt nghiệp cao học Nguyễn Song Tùng- Cao học ĐTVT 2004 -2- Phản xạ Khúc xạ Tán xạ Tx Rx Hình 1.1 Các cơ chế lan truyền sóng điện từ 1.1 Nguyên lý truyền dẫn sóng điện từ. 1.1.1 Các cơ chế lan truyền sóng điện từ. Lan truyền sóng điện từ đợc chia thành 3 cơ chế lan truyền cơ bản: Phản xạ Khúc xạ Tán xạ Phản xạ là cơ chế xảy ra khi sóng điện từ va đập vào vật thể có kích thớc lớn hơn rất nhiều so với bớc sóng. Phản xạ sinh ra các sóng thứ cấp có thể gây nhiễu với các sóng khác. Tuy nhiên, tại phía thu các tia sóng phản xạ có thể gây tơng tác tích cực hoặc tiêu cực với nhau phụ thuộc vào pha của chúng. Trong môi trờng di động, cơ chế này có thể xem nh là hiệu ứng nhiều tia. Khúc xạ là cơ chế xảy ra khi đờng truyền sóng bị che khuất một phần bởi một vật thể. Trong trờng hợp này, sóng điện từ đợc xem nh là truyền vòng qua cạnh của vật thể đến vùng không gian không thuộc miền truyền thẳng (line of sight) từ phía phát. Trong thông tin vô tuyến, đây là thuộc tính rất quan trọng. Nó làm tăng hiệu ứng che khuất và cho phép thiết kế một hệ thống mạng di động với vị trí tơng đối của trạm gốc và máy di động luôn thay đổi. Trờng Đại học Bách Khoa Hà Nội Đồ án tốt nghiệp cao học Nguyễn Song Tùng- Cao học ĐTVT 2004 -3- Tán xạ là cơ chế xảy ra trong môi trờng truyền dẫn có chứa các vật thể có kích thớc nhỏ hơn nhiều so với bớc sóng của tín hiệu. Cơ chế này làm cho năng lợng của sóng điện từ sẽ bức xạ ra nhiều hớng khác nhau, công suất tín hiệu sẽ bị suy hao. 1.1.2 Các hiệu ứng lan truyền sóng. Lan truyền sóng điện từ trong môi trờng thực là một quá trình phức tạp, đó là sự kết hợp của nhiều cơ chế lan truyền khác nhau. Tuy nhiên, nó đợc 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. Hiệu ứng nhiều tia là hiệu ứng lan truyền sóng rất phổ biến trong môi trờng di động. Nó là sự tổng quát hóa của cơ chế phản xạ hai tia. Trong thực tế, lan truyền nhiều tia sẽ có hàng chục đến hàng trăm tín hiệu thành phần với biên độ và pha ngẫu nhiên sẽ đến máy thu. Đây là cơ chế phading nhanh, nó xuất hiện khi tín hiệu thu đợc từ rất nhiều đờng truyền có pha biến đổi. Kết quả là pha sẽ loại trừ nhau một cách ngẫu nhiên, gây ra phading nhanh, đôi khi rất sâu hoặc đôi khi biên độ tăng lên nhiều lần, xuất hiện với khoảng cách là hệ số nguyên lần bớc sóng. Phadinh nhanh đợc chia làm 2 loại. Đó là phading Rayleigh và Racian. Khi một máy di động di chuyển qua một vùng phủ sóng, mỗi một cơ chế lan truyền sẽ có ảnh hởng tức thời đến tín hiệu thu đợc. Lấy ví dụ, nếu máy di động có một đờng truyền thẳng tới trạm gốc, thì các cơ chế lan truyền khác sẽ không gây ảnh hởng đến tín hiệu thu đợc. Đây là phân bố của phading Racian. Ngợc lại, nếu từ máy di động đến trạm gốc không có đờng truyền thẳng, thì các cơ chế lan truyền khác nh phản xạ, khúc xạ là đờng truyền tín hiệu chính đến máy thu. Đây là phân bố của phading Rayleigh. Trờng Đại học Bách Khoa Hà Nội Đồ án tốt nghiệp cao học Nguyễn Song Tùng- Cao học ĐTVT 2004 -4- Nói chung, chúng ta nên xem phading Rayleigh là trờng hợp tổng quát. Phading Raycian chỉ là trờng hợp đặc biệt. Hình 1.3 Pha ding Rayleigh. Hình 1.2 Hiệu ứng lan truyền nhiều tia BS BS MS MS Phading Rayleigh Phading Raycian Trờng Đại học Bách Khoa Hà Nội Đồ án tốt nghiệp cao học Nguyễn Song Tùng- Cao học ĐTVT 2004 -5- Hiệu ứng che khuất: sự thay đổi chậm trong suy hao đờng truyền gây ra bởi sự che chắn hoặc che chắn một phần do kích thớc lớn của vật thể hoặc đặc tính của địa hình. Sự che khuất thay đổi chậm đợc miêu tả bởi một phân bố khác đợc gọi là phân bố loga. Đó là kết quả của cơ chế tán xạ trên một số các vật thể, dẫn tới sự thay đổi ngẫu nhiên của tín hiệu. Lan truyền qua tòa nhà và khu vực giao thông. Máy di động có thể di chuyển khắp mọi nơi, trong tòa nhà cũng nh trên các phơng tiện giao thông, trên mọi nẻo đờng. Để đảm bảo rằng cờng độ tín hiệu đủ mạnh tới các máy di động, chúng ta cần phải tính toán suy hao đờng truyền khi tín hiệu xuyên qua các vật thể. Vì có sự khác nhau của vật liệu, hớng truyền, vị trí của vật thể nên rất khó có thể dự đoán chính xác suy hao cho từng trờng hợp cụ thể. Vì vậy, chúng ta phải sử dụng các mô hình thống kê. Cụ thể là chúng ta muốn biết suy hao năng lợng trung bình của tín hiệu khi đi qua vật thể. Dự đoán mức tín hiệu trong tòa nhà là rất phức tạp. Một tòa nhà là sự tổ hợp của nhiều vật cản. Cơ chế lan truyền cơ bản đợc ứng dụng cho tín hiệu lan truyền vào và bên trong tòa nhà là khúc xạ. Mức tín hiệu bên trong tòa nhà chịu ảnh hởng của nhiều tham số khác nhau. Đó là: - Góc tới của tín hiệu từ trạm gốc đến tòa nhà. - Hình dạng của cửa sổ. - Đặc tính hấp thụ và phản xạ của bề mặt và tờng của tòa nhà. - Sự bố trí sắp xếp và đặc tính của đồ vật bên trong. - Sự thay đổi từ tầng nọ đến tầng kia so với vị trí của trạm gốc. - Lan truyền trong các hộp kỹ thuật, giếng thang máy. Mặc dù đã có một số nghiên cứu về lan truyền sóng trong tòa nhà, nhng kết quả lại rất khác nhau. Cho nên hầu hết các kỹ s phải sử dụng đến phơng Trờng Đại học Bách Khoa Hà Nội Đồ án tốt nghiệp cao học Nguyễn Song Tùng- Cao học ĐTVT 2004 -6- pháp thống kê dựa trên các phép đo thực tế, thay vì xác định một phơng thức tiếp cận tổng quát. 1.2 Lan truyền trong không gian tự do. Lan truyền trong không gian tự do khi tín hiệu chỉ truyền trên một đờng, không có sự phản xạ cũng nh sự che chắn đờng truyền bởi vật thể. Về mặt kỹ thuật, điều kiện để có lan truyền tự do là miền Fresnel thứ nhất không bị che chắn bởi vật thể. Nếu gọi d là bán kính miền Fresnel thứ nhất, là bớc sóng của tín hiệu, D là khoảng cách từ trạm phát đến máy di động, ta có công thức tính bán kính miền Fresnel thứ nhất nh sau: Dd 2 1 (1-1) Hình 1.4 Miền Fresnel thứ nhất. Trong quá trình tính toán suy hao đờng truyền, lan truyền trong không gian tự do đợc xem nh là một mô hình chuẩn. Các mô hình khác đợc xây dựng trên mô hình chuẩn này và cố gắng tìm ra một cách tiếp cận tới một giá trị suy hao dự đoán chính xác hơn. Chúng ta bắt đầu với công thức tính suy hao sau: 2 4 d L fs (1-2) Trờng Đại học Bách Khoa Hà Nội Đồ án tốt nghiệp cao học Nguyễn Song Tùng- Cao học ĐTVT 2004 -7- Trong công thức này, d là khoảng cách giữa máy phát và máy thu. là bớc sóng Vì d và đều là tham số đo khoảng cách, nên kết quả của phép tính trên sẽ là một giá trị phi khoảng cách. Ta viết lại công thức trên theo các tham số thờng đợc sử dụng là tần số (f) và khoảng cách với = c/f, trong đó f là tần số sóng mang (đơn vị là MHz), c là vận tốc ánh sáng (c= 3.10 8 m/s). 2 4 c df L fs (1-3) Chuyển đổi công thức này sang logarit, ta có: L (dB) = 32.44 + 20lgf(MHz) + 20lgd(km) (1-4) Ta muốn chuyển đổi công thức 1-3 sang dB, trong đó d đợc tính là km, f là MHz, giá trị hằng số c = 3.10 8 m/s. Chúng ta phải chuyển đổi công thức một cách hoàn hảo để đảm bảo rằng tham số của hàm loga không còn giá trị đo khoảng cách. s m x MHz Hz f km m d s m x fd MHzkm MHzkm / 10 3 1 10 1 10 4 / 10 3 4 8 63 8 3 40 / 10 3 .104 8 9 df s m x Hzmdf Chuyển đổi sang dB, ta có: dfdBL fs lg20lg20 3 40 lg20)( Phép tính này cho kết quả nh công thức 1.4 ở trên. Trờng Đại học Bách Khoa Hà Nội Đồ án tốt nghiệp cao học Nguyễn Song Tùng- Cao học ĐTVT 2004 -8- 1.3 Mô hình Okumura. Trong các bản báo cáo của Okumura có chứa một tập các đờng cong đợc xây dựng từ rất nhiều các phép đo đợc thực hiện từ năm 1962 đến 1965. Mục đích của nó là miêu tả sự suy hao và sự thay đổi cờng độ trờng điện từ theo sự thay đổi của địa hình. Okumura muốn tính toán một cách hệ thống đối với các loại địa hình khác nhau và các môi trờng khác nhau. Do vậy, ông đã phân loại địa hình và môi trờng nh sau: Địa hình: - Địa hình bằng phẳng: là địa hình có các vật thể trên đó có chiều cao trung bình không vợt quá 20m. - Địa hình bất thờng: là các địa hình không thuộc địa hình bằng phẳng, ví dụ nh địa hình có đồi núi. Môi trờng: - Khu vực mở: là vùng không gian trong đó không có cây cao, tòa nhà cao tầng chắn ngang đờng truyền sóng. Địa hình thoáng đãng, không có vật thể nằm cản đờng truyền đến máy di động trong phạm vi 300 đến 400m. Ví dụ nh khu vực cánh đồng, nông trang. - Khu vực ngoại ô: Khu làng xã, đờng cao tốc với cây và nhà tha thớt. Trong khu vực này có một số vật thể chắn nhng không che chắn hoàn toàn. - Khu vực thành phố: là khu vực có nhiều nhà cao tầng san sát nhau, dân c đông đúc, cây cối trồng thành hàng sát nhau. Công thức Okumura: L OKUMURA = L fs + A m (1-5) Trong đó: A m là hệ số suy hao dự đoán Okumura. A m đợc tra qua đồ thị đờng cong. Trờng Đại học Bách Khoa Hà Nội Đồ án tốt nghiệp cao học Nguyễn Song Tùng- Cao học ĐTVT 2004 -9- L fs : là suy hao lan truyền trong không gian tự do. Ví dụ: f = 800MHz. d = 10km h BS = 200m h MS = 3m. Từ đồ thị đờng cong dự đoán suy hao , ta có A m = 29dB. Do đó, L total = L fs + A m = 32,44 +20lg(800) + 20lg(10) + 29 = 139,5dB. Hình 1.5 Đờng cong dự đoán suy hao. Trờng Đại học Bách Khoa Hà Nội Đồ án tốt nghiệp cao học Nguyễn Song Tùng- Cao học ĐTVT 2004 -10- 1.4 Mô hình Hata Mô hình Hata xây dựng trên kinh nghiệm, đúc rút từ mô hình Okumura. Mô hình Hata chuyển đổi các thông tin về suy hao đờng truyền có tính hình học của mô hình Okumura sang công thức toán học. Mô hình này đợc xây dựng dựa trên suy hao đờng truyền giữa các anten isotropic, nhng nó cũng xét đến các thông số khác nh chiều cao của cột anten trạm BTS, chiều cao của anten MS. Địa hình trong mô hình đợc giả thiết là khá bằng phẳng, không có bất thờng. Các điều kiện ràng buộc của mô hình Hata: - Dải tần làm việc: 150 đến 1500MHz. - Chiều cao của anten BTS: 30 đến 200m. - Chiều cao của anten MS: 1 đến 10m. - Khoảng cách giữa BTS và MS: 1 đến 20km. Công thức Hata tính suy hao đờng truyền: L HATA = 69,55 + 26,16logf C 13,82logh B a(h m ) + (44,9 6,55logh B ) x logR. (1-6) Trong đó: Đối với khu vực thành phố vừa và nhỏ: a(h m ) = (1,1logf C 0,7)h m - (1,56logf C 0,8 ) Đối với khu vực thành phố lớn: a(h m ) = 8,29(log1,54h m ) 2 1,1 f C < 200MHz. a(h m ) = 3,2(log11,75h m ) 2 4,97 f C > 400MHz. Đối với khu vực ngoại ô: L HATA, Suburban = L HATA 2 (log(f C /28)) 2 5,4. Đối với khu vực trống: L HATA, Suburban = L HATA 4,78(logf C ) 2 + 18,33logf C 40,94. [...]... ngoài vào trong tòa nhà Trong những năm gần đây, công nghệ thông tin di động đánh dấu sự phát triển bùng nổ của các thiết bị di động cá nhân cả về số lượng lẫn chủng loại Việc lập kế hoạch mạng viễn thông là vấn đề cần thiết để theo kịp với sự phát triển này Trong thông tin di động, các nhà chuyên môn lấy yếu tố suy hao đường truyền tín hiệu trong tòa nhà để đánh giá chất lượng cho từng mạng di động... che khu t có thể được mô hình hóa bằng hàm phân bố log cho các môi trường truyền dẫn trong nhà và ngoài trời 1.6.2.3 Phading nhiều tia, che khu t kết hợp Môi trường phading nhiều tia và che khu t kết hợp bao gồm phading nhiều tia chồng đè lên phading che khu t log Trong môi trường này, phía thu sẽ không tách được giá trị trung bình đường biên Đây là kịch bản của khu vực thành phố đông đúc, với sự di. .. số sử dụng cho mạng di động Các công trình nghiên cứu này được chia thành 2 loại sau: - Loại thứ nhất nghiên cứu trong môi trường có chiều cao trạm BTS từ 3 đến 9m và máy di động chủ yếu di chuyển trong các tòa nhà cao 1 hoặc 2 tầng nằm ở ngoại ô - Loại thứ hai nghiên cứu trong môi trường có chiều cao trạm BTS tương đương với trong mạng di động cellular và máy di động di chuyển trong các tòa nhà cao... -18- 1.6.2.2 Hiệu ứng che khu t hàm log Trong hệ thống thông tin di động mặt đất, chất lượng đường truyền cũng bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi chậm của mức tín hiệu do hiện tượng che khu t đường truyền tín hiệu, gây ra bởi địa hình, tòa nhà, cây cối Hoạt động của hệ thống thông tin sẽ chỉ phụ thuộc vào hiệu ứng che khu t nếu phía thu có khả năng lọc được giá trị trung bình của phading nhanh nhiều tia hoặc... hiệu phát bị ảnh hưởng cùng một phương thức thì ta gọi đó là phading phẳng Trong trường hợp này các hệ thống băng hẹp, trong đó băng thông của tín hiệu phát nhỏ hơn nhiều so với băng thông liên kết của kênh fc Băng thông này được đo bằng độ rộng dải tần số mà quá trình phading di n ra tương quan Nó cũng được định nghĩa là băng thông tần số trong đó chức năng tương quan của hai mẫu của hai kênh đáp ứng... trình phading xảy ra Thời gian liên kết cũng liên quan đến kênh trải phổ Doppler, fd như sau: TC 1 fd (1-8) Phading được gọi là chậm nếu khoảng thời gian ký hiệu nhỏ hơn thời gian liên kết của kênh TC Ngược lại, nó được gọi là phading nhanh Trong phading chậm, một giá trị phading xác định có ảnh hưởng rất nhiều tới các ký hiệu liền nhau Nó là nguyên nhân dẫn tới sự lỗi cụm Trong phading nhanh, phading... băng thông liên kết còn liên quan đến trễ trải rộng cực đại, max fC 1 (1-9) max Mặt khác, nếu các thành phần phổ của tín hiệu phát bị ảnh hưởng bởi hệ số tăng ích biên độ và dịch pha khác nhau, thì phading đó được gọi là phading lựa chọn tần số Phading này được áp dụng vào các hệ thống băng thông rộng trong đó băng thông của tín hiệu phát lớn hơn băng thông liên kết của kênh 1.6.2 Mô hình kênh phading... cầm tay công suất thấp, có bán kính cell nhỏ (< 1km) Trong hệ thống này, việc phủ sóng cho một tòa nhà cao tầng được thực hiện thông qua rất nhiều cell nhỏ nằm trong tòa nhà Đó là lý do tại sao các nghiên cứu lại sử dụng chiều cao của anten thấp, khoảng cách từ BTS đến MS nhỏ hơn 1km, và các phép đo được tiến hành trong nhà Trong mạng thông tin di động cellular, anten của các trạm thu phát macrocell... thích hợp trong trường hợp này, chúng ta phải giả thiết rằng (l)l=1LLp là độc lập thống kê với hàm RV Nếu mở rộng khái niệm của phading phẳng, biên độ phading 1 của đường truyền thứ l được giả thiết là 1 RV, mà giá trị trung bình bình phương của nó 2 được định nghĩa thông qua l và hàm PDF của nó p() có thể là một trong số các hàm PDF được đề cập ở phần trên Cũng giống như trong trường hợp kênh phading... nhà văn phòng, nhà máy có nhiều máy móc, Lấy ví dụ, các phép đo thực tế đã chỉ ra rằng, kênh thông tin di động được miêu tả chính xác nhất thông qua hàm PDF suy giảm hàm mũ cho môi trường lan truyền là tòa nhà văn phòng và khu đô thị đông đúc l 1 e l / max l = 1, 2, , LP Trong đó, 1 là công suất phading trung bình tương ứng với đường lan truyền tín hiệu thứ nhất, max là trễ lan truyền cực đại . học Nguyễn Song Tùng- Cao học ĐTVT 2004 -15- 1.6.1.2 Phading nhanh và chậm. Sự phân biệt giữa phading nhanh và chậm là rất quan trọng trong các mô hình toán học của kênh phading và việc. d C f T 1 (1-8) Phading đợc gọi là chậm nếu khoảng thời gian ký hiệu nhỏ hơn thời gian liên kết của kênh T C . Ngợc lại, nó đợc gọi là phading nhanh. Trong phading chậm, một giá trị phading xác định. số nguyên lần bớc sóng. Phadinh nhanh đợc chia làm 2 loại. Đó là phading Rayleigh và Racian. Khi một máy di động di chuyển qua một vùng phủ sóng, mỗi một cơ chế lan truyền sẽ có ảnh hởng tức