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

Tán xạ là cơ chế xảy ra trong môi trường truyền dẫn có chứa các vật thể có kích thước nhỏ hơn nhiều so với bước sóng của tín hiệu.. Dựa trên các phép đo thực tế, các nhà nghiên cứu đã đạ

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 trường

Phản xạ Khúc xạ Tán xạ

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 được chia thành 3 cơ chế lan truyền cơ bản:

Khúc xạ là cơ chế xảy ra khi đường truyền sóng bị che khuất một phần bởi một vật thể Trong trường hợp này, sóng điện từ được xem như 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 tương đối của trạm gốc và máy di động luôn thay đổi

Tán xạ là cơ chế xảy ra trong môi trường truyền dẫn có chứa các vật thể

có kích thước nhỏ hơn nhiều so với bước sóng của tín hiệu Cơ chế này làm cho năng lượng của sóng điện từ sẽ bức xạ ra nhiều hướng 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 trường thực là một quá trình phức tạp,

đó là sự kết hợp của nhiều cơ chế lan truyền khác nhau Tuy nhiên, nó được 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 trường 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 được từ rất nhiều đường 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 bước sóng

Phadinh nhanh được 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 hưởng tức thời đến tín hiệu thu được

Lấy ví dụ, nếu máy di động có một đường truyền thẳng tới trạm gốc, thì các cơ chế lan truyền khác sẽ không gây ảnh hưởng đến tín hiệu thu được

Đây là phân bố của phading Racian

Ngược lại, nếu từ máy di động đến trạm gốc không có đường truyền thẳng, thì các cơ chế lan truyền khác như phản xạ, khúc xạ là đường truyền tín hiệu chính đến máy thu Đây là phân bố của phading Rayleigh

Nói chung, chúng ta nên xem phading Rayleigh là trường hợp tổng quát Phading Raycian chỉ là trường hợp đặc biệt

Hình 1.3 Pha ding Rayleigh

Hình 1.2 Hiệu ứng lan truyền nhiều tia

Hiệu ứng che khuất: sự thay đổi chậm trong suy hao đường truyền gây ra bởi sự che chắn hoặc che chắn một phần do kích thước lớn của vật thể hoặc

đặc tính của địa hình Sự che khuất thay đổi chậm được miêu tả bởi một phân

bố khác được 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 như trên các phương tiện giao thông, trên mọi nẻo đường Để đảm bảo rằng cường độ tín hiệu đủ mạnh tới các máy di động, chúng ta cần phải tính toán suy hao

đường truyền khi tín hiệu xuyên qua các vật thể Vì có sự khác nhau của vật liệu, hướng truyền, vị trí của vật thể nên rất khó có thể dự đoán chính xác suy hao cho từng trường 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 lượng 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 được 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 hưởng 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 tường 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, nhưng kết quả lại rất khác nhau Cho nên hầu hết các kỹ sư phải sử dụng đến phương

pháp thống kê dựa trên các phép đo thực tế, thay vì xác định một phương 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 đường, không có sự phản xạ cũng như sự che chắn đường 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 bước 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 như sau:

2

1

Hình 1.4 Miền Fresnel thứ nhất

Trong quá trình tính toán suy hao đường truyền, lan truyền trong không gian tự do được xem như là một mô hình chuẩn Các mô hình khác được 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:

Trong công thức này, d là khoảng cách giữa máy phát và máy thu

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 thường được 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= 3.108 m/s)

Ta muốn chuyển đổi công thức 1-3 sang dB, trong đó d được tính là km, f

là MHz, giá trị hằng số c = 3.108 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

f

/103

1

101

104

/103

4

8

6 3

10 3

10 4

8

9

df s

m x

Hz m







Chuyển đổi sang dB, ta có:

d f

dB

3

40lg20)

1.3 Mô hình Okumura

Trong các bản báo cáo của Okumura có chứa một tập các đường cong

được xây dựng từ rất nhiều các phép đo được thực hiện từ năm 1962 đến 1965 Mục đích của nó là miêu tả sự suy hao và sự thay đổi cường độ trường 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 trường khác nhau Do vậy, ông đã phân loại địa hình và môi trường như sau:

Địa hình:

- Địa hình bằng phẳng: là địa hình có các vật thể trên đó có chiều cao trung bình không vượt quá 20m

- Địa hình bất thường: là các địa hình không thuộc địa hình bằng phẳng,

ví dụ như địa hình có đồi núi

Môi trường:

- Khu vực mở: là vùng không gian trong đó không có cây cao, tòa nhà cao tầng chắn ngang đường truyền sóng Địa hình thoáng đãng, không

có vật thể nằm cản đường truyền đến máy di động trong phạm vi 300

đến 400m Ví dụ như khu vực cánh đồng, nông trang

- Khu vực ngoại ô: Khu làng xã, đường cao tốc với cây và nhà thưa thớt Trong khu vực này có một số vật thể chắn nhưng không che chắn hoàn toàn

- Khu vực thành phố: là khu vực có nhiều nhà cao tầng san sát nhau, dân cư đông đúc, cây cối trồng thành hàng sát nhau

Lfs : lµ suy hao lan truyÒn trong kh«ng gian tù do

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 đường truyền có tính hình học của mô hình Okumura sang công thức toán học

Mô hình này được xây dựng dựa trên suy hao đường truyền giữa các anten isotropic, nhưng nó cũng xét đến các thông số khác như chiều cao của cột anten trạm BTS, chiều cao của anten MS Địa hình trong mô hình được giả thiết là khá bằng phẳng, không có bất thường

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 đường truyền:

LHATA = 69,55 + 26,16logfC –13,82loghB – a(hm) + (44,9 – 6,55loghB) x

Trong đó:

Đối với khu vực thành phố vừa và nhỏ:

a(hm) = (1,1logfC – 0,7)hm - (1,56logfC – 0,8)

Đối với khu vực thành phố lớn:

a(hm) = 8,29(log1,54hm)2 – 1,1 fC < 200MHz

a(hm) = 3,2(log11,75hm)2 – 4,97 fC > 400MHz

Đối với khu vực ngoại ô:

LHATA, Suburban = LHATA –2 (log(fC/28))2 – 5,4

Đối với khu vực trống:

LHATA, Suburban = LHATA – 4,78(logfC)2 + 18,33logfC – 40,94

Bảng 1.1 Bảng tham số Hata

1.5 Mô hình COST231 – Walfish – Ikegami

COST là chữ viết tắt của công ty chuyên nghiên cứu công nghệ và khoa học trường điện từ Châu Âu COST là công ty kết hợp giữa nghiên cứu và công nghiệp Mục tiêu chính của COST là nghiên cứu bản chất của quá trình lan truyền sóng điện từ trong dải tần VHF và UHF và phát triển các mô hình kênh, lan truyền đã được chứng minh

Dự án COST213 nghiên cứu tiến trình phát triển của hệ thống thông tin di

động mặt đất là một trong số rất nhiều dự án nghiên cứu của COST, nó là kết quả của quá trình phát triển và mở rộng các mô hình lan truyền sóng Lấy ví

dụ, mô hình Hata được mở rộng để có thể ứng dụng vào phạm vi truyền sóng lên tới 100km, trên dải tần số từ 1,5 đến 2GHz Đây chính là mô hình COST213-Hata Một mô hình khác được phát triển mở rộng, đó là COST231-Walfish-Ikegami

Các mô hình truyền sóng mà chúng ta đã đề cập ở phần trước chỉ được áp dụng cho đường truyền sóng trực tiếp từ BTS đến MS Những mô hình cổ điển này được ứng dụng vào các cell lớn (macro Cell) với chiều cao lớn của cột anten BTS Kết quả là, các mô hình này không thể áp dụng vào các hệ thống

đang được triển khai hiện nay, với đường truyền ngắn hơn 1km và rất hiếm

đường truyền thẳng trực tiếp LOS

Mô hình COST231-Walfish-Ikegami ước lượng suy hao đường truyền trong môi trường đô thị, với dải tần làm việc từ 800 đến 2000MHz Mô hình

này được áp dụng cho cả đường truyền thẳng LOS và đường truyền gián tiếp NLOS Đối với đường truyền LOS, mô hình sẽ được chuyển đổi về lan truyền trong không gian tự do Đối với đường truyền NLOS, mô hình sẽ được bổ sung thêm 2 điều kiện về suy hao Điều kiện thứ nhất là suy hao nhiều bề mặt, nguyên nhân gây ra bởi tín hiệu lan truyền từ BTS qua các mái nhà Điều kiện thứ hai gây ra bởi suy hao khúc xạ và tán xạ tại mái, cạnh tòa nhà, góc phố nơi máy mobile đang ở đó

Có 3 thành phần cần quan tâm đến trong mô hình:

- Suy hao lan truyền trong không gian tự do Lfs

- Suy hao nhiều bề mặt Lms

- Suy hao khúc xạ và tán xạ từ mái nhà đến đường phố Lrts

Điều kiện ứng dụng của mô hình là cho đường truyền sóng vô tuyến trong khu vực đô thị

- Tần số làm việc fC : 800 đến 2000MHz

- Chiều cao cột anten BTS hb : 4 đến 50m

- Chiều cao anten MS hm : 1 đến 3m

- Khoảng cách từ BTS đến MS: 20 đến 5km

Công thức COST231-Walfish-Ikegami :

Lfs + Lms + Lrts

LCOST = Lfs Nếu Lms + Lrts < 0 (1-7) Chú ý: khi suy hao do khúc xạ và suy hao bề mặt nhỏ hơn hoặc bằng 0, thì mô hình sẽ chuyển về suy hao lan truyền trong không gian tự do

Trước khi kiểm tra lại công thức, chúng ta phải định nghĩa một số tham số phụ được sử dụng trong công thức

- Độ rộng của đường phố W (m)

- Khoảng cách giữa các tòa nhà dọc theo đường truyền b (m)

- Chiều cao của tòa nhà hroof (m)

- h = h – h ; h = h - h

- Góc tới tạo với chiều của đường phố  (độ)

Các công thức tính suy hao chính:

Suy hao trong không gian tự do:

Lfs = L (dB) = 32.44 + 20logf(MHz) + 20logd(km) Suy hao khúc xạ và tán xạ:

Lrts = -16,9 – 10logW + 10logfC + 20loghm + L Suy hao đa bề mặt:

Lms = Lbsh + ka + kdlogd + kplogfC – 9logb

Các tham số phụ trong mô hình

Suy hao hướng phố:

0 0

0 0

0 0

9055

5535

350

)55(114,00,4

)35(075,05,2

345,010

khi

Hình 1.6 Các tham số trong mô hình Walfish- Ikegami

Bảng 1.2 Các giá trị ngầm định các tham số trong mô hình

và đặc tính của các hiệu ứng khác nhau Kết quả là chúng ta có một loạt các mô hình thống kê khá chính xác và đơn giản cho các kênh fading trong các môi trường truyền dẫn khác nhau Mục đích của phần này là tổng kết một cách ngắn ngọn các mô hình và đặc tính quan trọng của các kênh fading 1.6.1 Các tính chất quan trọng của kênh fading

1.6.1.1 Sự biến động về pha và biên độ

Khi một tín hiệu thu được bị ảnh hưởng của fading trong quá trình truyền, cả pha và biên độ của tín hiệu sẽ bị biến đổi theo thời gian Đối với các phương pháp điều chế chặt chẽ, ảnh hưởng của fading đến pha có thể làm giảm hiệu suất nghiêm trọng, trừ khi các biện pháp bù pha được áp dụng tại

đầu thu Thông thường, việc sử dụng các bộ phân tích hệ thống trong điều chế cho rằng sự ảnh hưởng của pha gây ra bởi phading sẽ được hiệu chỉnh chính xác tại phía thu, đây được xem như là phương pháp điều chế chặt chẽ Đối với các phương pháp điều chế không chặt chẽ, thông tin về pha sẽ không được cần

đến ở phía thu Do đó, sự biến động về pha gây ra bởi phading sẽ không làm giảm hiệu suất hoạt động

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 đánh giá hiệu suất của các hệ thống viễn thông hoạt động trên các kênh này Khái niệm này liên quan đến thời gian liên kết kênh (coherence time Tc), được đo bằng khoảng thời gian mà quá trình phading xảy ra Thời gian liên kết cũng liên quan đến kênh trải phổ Doppler, fd như sau:

một thời điểm, nhưng tại các tần số khác nhau Ngoài ra, băng thông liên kết còn liên quan đến trễ trải rộng cực đại, max

p() phụ thuộc vào tính chất tự nhiên của môi trường truyền dẫn Sau khi bị

ảnh hưởng của phading trên đường truyền, tín hiệu bị xáo trộn tại phía thu bởi nhiễu nền Gaussian (AWGN) Nhiễu AWGN được giả thiết là có tính độc lập thống kê với biên độ phading  và nó được mô tả bằng hàm mật độ phổ công suất một phía (W/Hz) Nói một cách tương đương, công suất tín hiệu thu được tức thời bị điều chế bởi 2 Do vậy, chúng ta định nghĩa hệ số tức thời của tín hiệu trên tạp âm SNR và ký hiệu là   2E / S N ovà hệ số SNR trung bình trên

ký hiệu   E S / N0, trong đó ES là năng lượng của một ký hiệu Ngoài ra, hàm PDF của  được xác định bằng cách thêm vào một tham số biến đổi  trong biểu thức của phading PDF p()

) (

Hàm sinh tức thời (MGF) M(s) kết hợp với hàm PDF p() được viêt như sau:

0

) ( p )

2 2

2

2 2

2 2

2

) (

) ( ) ( )

( )

(

) var(

E E

trong đó: E[ ] là hàm thống kê trung bình, var( ) là tham số

Phần tiếp theo chúng ta sẽ tìm hiểu ảnh hưởng của các môi trường lan truyền khác nhau đến kênh phading và các hàm tương ứng như PDF, MGF và

AF, cũng như mối quan hệ với các kênh vật lý

1.6.2.1 Phading nhiều tia

Phading nhiều tia gây ra sự kết hợp tích cực và tiêu cực của tín hiệu thu tổng hợp sau khi trải qua các hiệu ứng phản xạ, khúc xạ, tán xạ và trễ một cách ngẫu nhiên Loại phading này là phading nhanh, thể hiện cho sự thay đổi của tín hiệu trong khoảng thời gian ngắn Phading nhiều tia phụ thuộc nhiều vào môi trường lan truyền tự nhiên, và có rất nhiều mô hình thống kê miêu tả trạng thái đường biên phading

1.6.2.2 Hiệu ứng che khuất 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 khuất

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 khuất nếu phía thu có khả năng lọc được giá trị trung bình của phading nhanh nhiều tia hoặc nếu phía thu sử dụng hệ thống thu phân tập để hạn chế ảnh hưởng của hiệu ứng nhiều tia Dựa trên các phép đo thực tế, các nhà nghiên cứu đã đạt được một sự thống nhất chung là hiệu ứng che khuất 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 khuất kết hợp

Môi trường phading nhiều tia và che khuất kết hợp bao gồm phading nhiều tia chồng đè lên phading che khuất 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 chuyển chậm của người và phương tiện Kiểu phading tổ hợp này cũng được thấy ở hệ thống thông tin di động vệ tinh Chúng ta có hai cách tiếp cận để tìm ra sự phân bố tổ hợp Chúng ta có thể sử dụng hàm PDF gamma/log-normal do Ho và Stillber tìm ra Hàm PDF này phát triển từ hàm Nakagami-m trong môi trường che khuất và được thêm vào giá trị công suất tín hiệu phân bố gamma

1.6.3 Mô hình kênh phading chọn tần

Khi tín hiệu băng thông rộng lan truyền qua kênh phading chọn tần, phổ của tín hiệu sẽ bị ảnh hưởng bởi hàm biến đổi kênh gây ra sự phân tán theo thời gian của dạng sóng Loại phading này có thể được mô hình hóa bằng bộ lọc tuyến tính, được miêu tả bởi bộ lọc thông thấp phức tạp, có đáp ứng xung như sau:

1

) (

)

(1-13) Trong đó:

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 phẳng, sau khi đi qua kênh phading, tín hiệu băng thông

rộng bị xáo trộn bởi AWGN với mật độ phổ công suất một phía No(W/Hz) Hàm AWGN được giả thiết là độc lập với biên độ phading (l)l=1LLp Do vậy tỉ

số tức thời SNR với ký hiệu của kênh thứ l được tính như sau: l = l2ES /N0 ,

và tỉ số trung bình SNR với ký hiệu của kênh thứ l được tính là : l  l E S / N0 Tín hiệu trên đường truyền đầu tiên đến phía thu sẽ chịu ảnh hưởng của phading ít hơn so với các đường truyền khác vì năng lượng thành phần sẽ giảm theo độ trễ của tín hiệu Tín hiệu trên đường truyền cuối cùng bị ảnh hưởng của phading nhiều nhất Hàm số (l)l=1LLp liên quan đến trễ công suất của kênh PDP Mô hình PDP được mô tả theo nhiều dạng khác nhau, phụ thuộc vào môi trường truyền dẫn indoor hay outdoor, và các điều kiện truyền dẫn Mô hình PDP indoor lại được chia thành PDP cho tòa 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

max

/1

CHƯƠNG 2 MÔ HìNH TRUYềN SóNG trong nhà

Mục tiêu

 Tìm hiểu nguyên lý lan truyền tín hiệu di động trong môi trường

truyền dẫn trong nhà

 Đánh giá được mức độ phủ sóng của trạm phát sóng ngoài trời đối

với một tòa nhà cao tầng

 Sự cần thiết phải xây dựng hệ thống phủ sóng tín hiệu cho các công trình xây dựng cao tầng, công trình ngầm

2.1 Các mô hình thực nghiệm

2.1.1 Truyền sóng bên 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 Các vấn đề của mô hình lan truyền tín hiệu trong nhà rất khác nhau và phức tạp Cụ thể là:

* Đó là môi trường truyền dẫn 3 chiều Bởi vì với một khoảng cách xác

định từ BTS đến MS, chúng ta phải quan tâm đến yếu tố chiều cao, nó phụ thuộc vào số tầng của tòa nhà Trong khu vực thành thị, chúng ta dễ nhận thấy rằng tín hiệu sẽ có đường truyền thẳng LOS từ BTS đến MS khi MS đang ở các tầng cao của tòa nhà, trong khi nếu MS ở các tầng thấp hay trên phố, đường truyền LOS rất khó đạt được

* Môi trường truyền dân bên trong tòa nhà trong đó chứa nhiều vật cản Những vật cản này được làm từ nhiều loại vật liệu khác nhau, và có vị trí rất gần với máy di động Với môi trường như vậy, đặc tính lan truyền của tín hiệu

sẽ thay đổi rất nhiều so với môi trường ngoài trời

* Chúng ta đã có rất nhiều các công trình nghiên cứu về lan truyền tín hiệu

từ ngoài vào bên trong tòa nhà, đặc biệt với các dải tần 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 tầng

Các nghiên cứu cho loại thứ nhất xuất phát từ hệ thống điện thoại vô tuyến cầm tay vì hệ thống này phục vụ cho một số lượng lớn các thiết bị 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 thường được đặt trên mái nhà của tòa nhà cao tầng nên thường có chiều cao từ 60 đến 100m so với mặt đất và bán kính cell lớn nhất có thể tới 30km Do vậy chúng ta không thể áp dụng các kết quả nghiên cứu của loại thứ nhất vào hệ thống này Tuy nhiên, các nghiên cứu này cũng chỉ ra rằng tín hiệu trong các khu vực nhỏ như trong tòa nhà có phading Rayleigh phân bố xấp xỉ với phading hàm log Nói cách khác, hàm thống kê tín hiệu trong tòa nhà có thể được mô hình như là sự xếp chồng của quá trình small-scale (Rayleigh) và large-scale (lognormal)- là các mô hình truyền sóng ngoài trời cho khu vực thành thị Mức tín hiệu luôn thay đổi theo chiều cao của anten và chịu ảnh hưởng của sự phản xạ từ mặt đất

Các kết quả nghiên cứu đã đưa ra công thức suy hao của tín hiệu:

Trong đó:

S là hằng số, S = 32.0 @ 900MHz = 38.0 @ 1800MHz

d là khoảng cách giữa máy phát và máy thu

Các phép đo thực nghiệm được thực hiện bằng cách sử dụng một máy thu

được đặt cố định và một máy phát cầm tay di chuyển khắp mọi vị trí trong tòa nhà, đã cho thấy giá trị của tham số n trong công thức (2-1) sẽ là 4,5; 3,9; 3,0

và 2,5 cho các vị trí tương ứng là bên ngoài tòa nhà, tại tầng 1, tại tầng 2 và tại tầng hầm

Trong khi đó, các nghiên cứu của loại thứ hai lại liên quan đến các đặc tính thống kê của suy hao tín hiệu trong nhà Một công trình đầu tiên được giới thiệu bởi Rice, đã chỉ ra sự khác nhau giữa tín hiệu trung bình tại tầng khảo sát của tòa nhà với mức tín hiệu trung bình bên ngoài tòa nhà, trên phố nằm kề với tòa nhà Rõ ràng là có hai khả năng xảy ra, hoặc là ta có thể thực hiện các phép đo trên đường phố nằm xung quanh tòa nhà để tìm được mức tín hiệu trung bình bên ngoài tòa nhà, như Rice đã đưa ra, hoặc là ta có thể lấy kết quả của phép đo tức thời bên ngoài tòa nhà tại vị trí nằm trên đường thẳng nối

từ tâm tòa nhà đến vị trí máy phát

Phương pháp thứ hai sẽ chính xác hơn nếu tồn tại một đường truyền LOS giữa máy phát và tòa nhà Nhưng trường hợp này rất ít khả năng vì tín hiệu truyền vào trong tòa nhà qua rất nhiều đường truyền tán xạ, nên phương pháp một mang tính thực tiễn hơn Phương pháp phân tích số liệu cũng rất khác nhau Mặc dù trong hầu hết các nghiên cứu, tín hiệu được lấy mẫu tại theo từng khoảng thời gian và từng vị trí Nhưng nhìn chung, các phương pháp khác nhau này không làm ảnh hưởng đến giá trị trung bình phép đo suy hao tín hiệu trong tòa nhà

Vì những lí do này, chúng ta đôi khi rất khó so sánh kết quả của các công trình nghiên cứu Suy hao phụ thuộc rất nhiều các yếu tố, nhưng chủ yếu là phụ thuộc vào tần số, điều kiện lan truyền và chiều cao của máy thu trong tòa nhà Tuy nhiên, một số yếu tố khác cũng có ảnh hưởng đến suy hao tín hiệu như hướng của tòa nhà so với anten BTS, cấu trúc tòa nhà (vật liệu xây nhà, số lượng và kích thước cửa sổ) và cách bố trí vật dụng trong tòa nhà Trong hầu hết các mô hình để dự đoán cường độ tín hiệu trong tòa nhà đều sử dụng phương pháp kỹ thuật được đưa ra bởi Rice Cụ thể là trước tiên, chúng ta dự

đoán mức tín hiệu trung bình trên các con phố nằm xung quanh tòa nhà, sau

đó cộng thêm phần suy hao bởi tòa nhà

Một nghiên cứu khác của Barry và Williamson – New Zealand tập trung nghiên cứu vào tòa nhà, tại các tầng chính có đường truyền thẳng tới trạm thu phát gốc BTS Hai ông đã sử dụng các tiêu chuẩn tương tự như việc tính toán trong môi trường giao thông Phương pháp mô tả thống kê của Suzuki cho thấy tín hiệu trên bất cứ tầng nhà nào tại tần số 900MHz có độ lệch tiêu chuẩn

là 6,7dB Mô hình cũng cho rằng suy hao qua cửa sổ có ô kính nhỏ có giá trị

là 10dB

Các nghiên cứu thực nghiệm tại Anh cho tần số 441, 896.5 và 1400MHz

đã cho ra cùng một kết quả về sự thay đổi tín hiệu, tương tự như những nghiên cứu ở trên Các nghiên cứu này đưa ra cách nhìn về bản chất ảnh hưởng của

điều kiện lan truyền đến độ sai lệch tiêu chuẩn

Bảng 2.1 đưa ra giá trị suy hao xâm nhập cho 3 tần số tín hiệu khác nhau khi máy thu ở các vị trí khác nhau của một tòa nhà 6 tầng hiện đại Giá trị suy hao tăng khoảng 1.5dB khi tần số thay đổi từ 441 lên 896.5MHz và khoảng 4.3dB khi tần số tăng lên 1400MHz

Các phép đo thử khác nhau được thực hiện trong tòa nhà lớn, có tầng hầm thì giá trị suy hao là 14.2, 13.4 và 12.8 tương ứng với các tần số 900, 1800 và 2300MHz Đối với các nhà thiết kế hệ thống, sự suy hao tín hiệu tại tầng hầm

là rất quan trọng Bởi vì nếu một hệ thống được thiết kế mà đạt được chất lượng tốt nhất tại tầng hầm thì chất lượng tại các tầng trên của tòa nhà cũng sẽ tốt

Chúng ta cũng phải nhấn mạnh một điều là, tổng suy hao tín hiệu lan truyền từ trạm BTS đến MS được chia ra làm hai thành phần: một là suy hao tín hiệu từ BTS đến vị trí xung quanh tòa nhà; thứ hai là suy hao của tín hiệu khi xâm nhập vào tòa nhà Sự phân chia này tạo thuận lợi khi chúng ta ước lượng suy hao của tín hiệu Theo các kết quả nghiên cứu ở trên, suy hao xâm nhập vào tòa nhà và suy hao trong không khí của tín hiệu tăng tỉ lệ thuận với tần số

Bảng 2.1 Bảng giá trị suy hao xâm nhập theo số tầng

bố lognormal và khi đó giá trị sai lệch chuẩn sẽ là 4dB Trong trường hợp khác, khi tín hiệu tồn tại đường truyền thẳng đến toàn bộ tòa nhà hoặc một phần của tòa nhà, thì sự thay đổi của tín hiệu theo tỉ lệ lớn (large-scale) sẽ xuất phát từ một giá trị nào đó của hàm lognormal và giá trị sai lệch chuẩn sẽ cao hơn Đối với môi trường truyền dẫn hoàn toàn LOS, giá trị sai lệch chuẩn

sẽ là 6 – 7dB

Hình 2.1 Phân bố tích lũy của sự thay đổi tín hiệu tại tần số 900MHz trong tòa nhà không có đường truyền LOS ( ): giá trị đo, ( ): giá trị lý thuyết

của phân bố lognormal với độ lệch chuẩn 4dB

Tóm lại, giá trị sai lệch chuẩn của tín hiệu có liên quan đến diện tích của sàn, với sàn có diện tích nhỏ thì giá trị sai lệch chuẩn cũng sẽ nhỏ và ngược lại Suy hao xâm nhập sẽ giảm khi MS di chuyển lên các tầng cao của tòa nhà, vì sẽ có nhiều đường truyền LOS đến các tầng cao hơn là các vị trí thấp trên các con phố xung quanh tòa nhà

Dấu x: giá trị đo thực tế

Hình 2.2 Mối quan hệ giữa suy hao xâm nhập và số tầng tòa nhà Tuy nhiên, cũng có những trường hợp cá biệt, đó là giá trị suy hao xâm nhập lại tăng lên cùng với số tầng của tòa nhà Điều này gây ra bởi điều kiện môi trường lan truyền đặc biệt tồn tại giữa BTS và MS Hình 2.2 chỉ ra sự thay

- Suy hao xâm nhập vào tòa nhà của tín hiệu sẽ giảm khi tần số tăng

- Khi không có đường truyền thẳng LOS giữa BTS và tòa nhà (cơ chế tán xạ chiếm ưu thế), sự sai lệch tiêu chuẩn của giá trị trung bình cục bộ xấp xỉ 4dB Khi có đường truyền thẳng LOS, sự sai lệch tiêu chuẩn là 6

đến 9dB

- Sự thay đổi suy hao xâm nhập của tín hiệu theo độ cao là 2dB/tầng Cuối cùng, chúng ta thảo luận về vấn đề mô hình hóa Hầu hết các mô hình lan truyền ngoài trời được phát triển và tối ưu cho macrocell, và chúng không chính xác khi áp dụng cho microcell Ngoài ra, việc dự đoán suy hao

đường truyền từ một trạm BTS bên ngoài đến một máy thu nằm bên trong tòa nhà sẽ chính xác hơn nếu nó được tính toán trực tiếp và không đơn thuần là sự

mở rộng của các mô hình ngoài trời Barry và Williamson đã đưa ra một hệ số kết hợp liên quan đến sự lan truyền của tín hiệu từ ngoài vào trong tòa nhà và

hệ số liên quan đến sự lan truyền của tín hiệu bên trong tòa nhà để cho ra đời một mô hình toàn diện

Toledo đã thực hiện các phân tích hồi quy nhiều bước với một cơ sở dữ liệu to lớn, và nghiên cứu mối quan hệ của các tham số Kết quả tốt nhất của

ông là đưa 3 tham số vào công thức toán hồi quy Đó là khoảng cách d giữa máy phát và thu, diện tích sàn Af, và hệ số SQ thể hiện cho số sàn của tòa nhà

có đường truyền thẳng LOS Mô hình cho tần số 900 và 1800MHz như sau:

L = -37,7 + 40logd + 17,6logAf –27,5SQ (2-2)

Sai số giữa công thức toán học trên với giá trị đo thực nghiệm là 2,4 và 2,2dB tương ứng Sai số này nhỏ hơn một chút so với kết quả nghiên cứu của Barry và Williamson

2.1.2 Truyền sóng bên trong tòa nhà

Có rất nhiều nghiên cứu về lan truyền sóng trong tòa nhà trên một phạm vi tần số rộng Lan truyền sóng trong nhà chịu ảnh hưởng rất lớn bởi các đặc tính

của tòa nhà như các bố trí vật dụng trong nhà, vật liệu dùng để xây dựng tường, sàn nhà, trần nhà

Hệ thống thông tin vô tuyến trong nhà khác với hệ thống vô tuyến bình thường ở hai yếu tố quan trọng sau: môi trường can nhiễu và tốc độ phading Môi trường can nhiễu thường gây ra bởi sự bức xạ của các thiết bị điện tử như máy tính Mức nhiễu bên trong nhà này đôi khi lớn hơn bên ngoài Hơn nữa, cường độ tín hiệu thay đổi từ chỗ này sang chỗ khác trong tòa nhà Tín hiệu có thể bị suy hao rất nhiều khi lan truyền một vài mét qua tường, trần nhà hoặc sàn nhà hay thậm chí vẫn đủ mạnh sau khi đã lan truyền hàng trăm mét dọc hành lang Hệ số tín hiệu trên tạp âm SNR rất khó dự đoán và thay đổi liên tục

Tốc độ phading chậm làm nó không thích hợp cho việc tính toán hoạt

động của hệ thống Có hai khả năng sau: thứ nhất, nếu người sử dụng máy

điện thoại vô tuyến di chuyển chậm xung quanh trong tòa nhà trong khi cuộc

đàm thoại vẫn liên tục, thì anten sẽ bị ảnh hưởng bởi phading Trường hợp này

được mô tả chính xác nhất bằng tỉ lệ phần trăm của thời gian khi hệ số SNR rơi xuống thấp hơn một giá trị có thể chấp nhận được Nếu là hệ thống số, thì

đó là tỉ lệ phần trăm của tỉ lệ lỗi rơi xuống thấp hơn giá trị cho phép Tuy nhiên vì các ảnh hưởng thứ cấp (như chuyển động của người, cửa bị đóng hoặc mở), những khả năng này thay đổi chậm theo thời gian

Sự hoạt động không như mong muốn của hệ thống băng thông rộng có thể gây ra bởi nhiễu giữa các ký tự do sự trễ dải rộng Điều này làm hạn chế tốc

độ truyền dữ liệu Do vậy, trong hệ thống băng thông hẹp, phading nhiều tia

và che khuất làm hạn chế vùng phủ sóng.Nhiễu có thể xuất phát từ tự nhiên, cũng có thể do con người, hoặc cũng có thể do các user khác trong một hệ thống nhiều user tạo ra Nó làm hạn chế số lượng user cùng tồn tại trong một vùng phủ sóng Các kỹ thuật như cấp kênh động, điều khiển công suất, thu phân tập có thể được sử dụng để hạn chế vấn đề này

2.1.2.1 Đặc tính lan truyền

Một số các nghiên cứu đã được thực hiện để xác định các đặc tính lan truyền trong nhà, trong tòa nhà văn phòng, trong nhà xưởng Một trong số các nghiên cứu mới nhất, được thực hiện trên hệ thống điện thoại vô tuyến tại Nhật Bản, có dải tần làm việc từ 250 đến 400MHz Các kết quả đo được thực hiện với máy phát công suất thấp 10mW Kết quả nghiên cứu cho thấy suy hao đường truyền trung bình tuân theo quy luật suy hao trong không gian tự

do trong khoảng cách rất gần (trong phạm vi 10m) Sau đó, suy hao này tăng tỉ

lệ với khoảng cách Nếu đường lan truyền của tín hiệu bị che chắn bởi đồ vật, thì đặc tính lan truyền sẽ bị ảnh hưởng theo nhiều cách khác nhau và không có quy luật chung nào cả Sự thay đổi tức thời của tín hiệu rất gần với phân bố Rayleigh, đó là kết quả của quá trình tán xạ bởi sự che chắn của tường, sàn, trần và đồ vật

Một quy luật liên quan giữa suy hao đường truyền và khoảng cách từ máy phát được sử dụng để dự đoán cường độ tín hiệu trong một tòa nhà có cấu trúc, nhưng chúng ta rất khó để đưa ra được một công thức chung Mô hình chính xác nhất để miêu tả đường truyền thẳng thường xảy ra tại các phòng có diện tích tương đương nhau, có cùng kiểu sắp xếp đồ đạc, có suy hao giống nhau của tường ngăn giữa các phòng Hệ số mũ n trong công thức tính suy hao thay

đổi xung từ 2 khi tín hiệu lan truyền tự do tại sảnh hoặc hành lang đến 6 khi tín hiệu bị che chắn nhiều

Motley and Keenan đã báo cáo kết quả nghiên cứu thực nghiệm của họ với môi trường nghiên cứu là tòa nhà văn phòng nhiều tầng, tại tần số là 900 và 1700MHz Một máy phát cầm tay di chuyển trong một phòng được lựa chọn trong tòa nhà này, trong khi máy thu là cố định một chỗ Máy thu có vị trí tại trung tâm của tòa nhà, nó giám sát các mức của tín hiệu Họ đã đưa ra một công thức thể hiện mối quan hệ giữa công suất và khoảng cách như sau:

Trong đó:

F là suy hao tại mỗi tầng của tòa nhà

K là số tầng

P’ là tham số suy hao phụ thuộc tần số

Bảng 2.2 đưa ra giá trị của các tham số được đo thực nghiệm Chúng ta thấy rằng hệ số n là tương tự nhau cho cả hai tần số, nhưng F và S lại có giá trị cao hơn 6 và 5 dB tại tần số 1700MHz Kết quả này đã được kiểm tra lại trong các tòa nhà cao tầng khác Ta thấy rằng tổng giá trị suy hao đường truyền của tín hiệu tại tần số 1700MHz sẽ lớn hơn 5,5dB so với suy hao tín hiệu tại tần số 900MHz Nhận định này phù hợp với các kết quả dự đoán về mặt lý thuyết

Bảng 2.2 Các tham số lan truyền trong tòa nhà

Môi trường xung quanh tòa nhà cũng phải được xem xét, vì rõ ràng, năng lượng bên trong tòa nhà có thể lan truyền ra xa gây ảnh hưởng và nhiễu với các tòa nhà xung quanh Nó có thể phản xạ ngược trở lại tòa nhà tại các tầng cao hoặc thấp hơn, phụ thuộc vào vị trí đặt anten và hướng búp sóng Các kết

quả thực nghiệm đã chỉ ra rằng suy hao giữa các tầng liền nhau sẽ lơn hơn suy hao của tín hiệu của các tầng khác Sau năm hoặc sáu tầng, tín hiệu không còn

ảnh hưởng lẫn nhau Một số nghiên cứu cũng đã xuất bản thông tin về suy hao tín hiệu gây ra bởi lan truyền qua các loại vật liệu xây dựng khác nhau, trên các dải tần số khác nhau

Các nghiên cứu đã cho thấy, lan truyền tín hiệu bên trong tòa nhà sẽ phụ thuộc nhiều hơn vào cấu trúc, vật liệu xây dựng khi tần số cao hơn (ví dụ 1700MHz so với 900MHz) Băng tần thấp (860MHz) đã được sử dụng cho hệ thống điện thoại vô tuyến số châu Âu DECT Hệ thống này được thiết kế cho môi trường kinh doanh và dân dụng Hệ thống này cung cấp một chất lượng thoại tốt, cung cấp các ứng dụng về dữ liệu và thoại Nó cho phép người sử dụng các thiết bị cầm tay di chuyển linh hoạt trong tòa nhà Mặc dù suy hao tín hiệu tăng lên theo tần số, nhưng dải tần 1700MHz có thể sử dụng được cho

hệ thống điện thoại vô tuyến trong nhà Trong bất cứ trường hợp nào, số lượng trạm thu phát sóng sẽ phụ thuộc vào dung lượng và yêu cầu về chất lượng hoạt

động, chứ nó không bị giới hạn vào vùng phủ sóng của tín hiệu

Trong tòa nhà, không gian được chia thành các phòng riêng biệt, phading thường xuất hiện thành từng cụm, kéo dài trong vài giây với phạm vi dao động khoảng 30dB Trong môi trường văn phòng thoáng rộng, phading xuất hiện liên tục nhưng lại có phạm vi dao động hẹp hơn, khoảng 17dB Sự thay đổi

đường biên theo thời gian là Phading Racian với giá trị của K từ 6 đến 12dB Giá trị của K là một hàm mở rộng, có sự bổ sung yếu tố chuyển động, thay cho cấu trúc nhiều tia tồn tại gần máy thu Sự chuyển động của máy thu đầu cuối cũng gây ra phading, vì sự chuyển động này xuyên qua các khu vực có trường điện từ biến đổi

Có một số công thức mở rộng của (2-1) trong mô hình suy hao tín hiệu trong nhà

Trong đó Xd là tham số lognormal (dB) với độ sai lệch tiêu chuẩn là  Anderson đã đưa ra giá trị tiêu chuẩn của  và n cho các loại tòa nhà khác nhau trên một phạm vi tần số, n nằm trong khoảng 1.6 đến 3.3 , còn  nằm trong khoảng từ 3 đến 14dB Seidel cũng đưa ra các giá trị cho n và  cho các tòa nhà khác nhau Các giá trị này được tìm ra thông qua các phép đo thực nghiệm tại rất nhiều vị trí Các giá trị này được sử dụng để mô hình hóa lan truyền thông qua công thức sau:

Trong đó, nSF là hệ số mũ cho các phép đo trên cùng một sàn

Giả thiết rằng nếu có một giá trị nSF chính xác, thì suy hao lan truyền trên các sàn khác nhau có thể được xác định bằng cách cộng thêm vào một giá trị thích hợp cho hệ số suy hao F giữa các sàn Một cách khác, trong công thức (2-6) F có thể được loại bỏ bằng cách sử dụng hệ số nMF Hệ số này đã bao gồm ảnh hưởng cách ly giữa các sàn Khi đó công thức suy hao sẽ trở thành:

Devarsirvatham đã nhận thấy suy hao trong nhà có thể được mô hình hóa như suy hao trong không gian tự do và công thêm phần suy hao phụ có tính chất tăng hàm mũ theo khoảng cách Do đó, công thức tính suy hao sẽ được sửa lại như sau:

Trong đó,  là hằng số suy hao (dB/m) Các công thức tính suy hao trong nhà đã được Rappaport tổng hợp lại Rappaport là nhà nghiên cứu hàng đầu trên thế giới về lĩnh vực truyền sóng indoor

Cuối cùng, xuất phát từ công thức cơ bản (2-1), Toledo và Turkmani đã tiến hành nghiên cứu có sử dụng thêm các yếu tố khác Hai ông đưa ra công thức cuối cùng dự đoán suy hao đường truyền cho tần số 900 và 1800MHz, với máy phát đặt tại một sàn xác định trong tòa nhà cao tầng:

L = 18.8 + 39.0logd + 5.6kr + 13.0Swin – 11.0G – 0.024Af

L = 24.5 + 33.8logd + 4.0kr + 16.6Swin – 9.8G – 0.017Af (2-9) Trong đó,

kf là số sàn giữa máy phát và máy thu

Swin là hệ số thể hiện cho mức năng lượng thoát ra và quay lại tòa nhà

Swin có giá trị là 0 hoặc 1, phụ thuộc vào vị trí của máy thu

G thể hiện cho mức năng lượng tại hai tầng thấp nhất của tòa nhà

Af là diện tích sàn của phòng đặt máy thu

Đối với các phòng nằm cùng phía với máy phát, Swin =1, phía đối diện Swin

= 0.25; phía vuông góc Swin = 0.5; Đối với các phòng bên trong, không có cửa

2.1.2.2 Nghiên cứu lan truyền sóng với hệ thống băng rộng

Ngoài các nghiên cứu với hệ thống băng thông hẹp để tìm ra sự thay đổi cường độ tín hiệu so với khoảng cách, chúng ta cũng có một số nghiên cứu trên hệ thống băng thông rộng về đặc tính lan truyền của tín hiệu bên trong tòa nhà

Devarsirvatham đã sử dụng thiết bị hoạt động ở tần số 850MHz, có độ phân giải trề lan truyền là 25ns (nghĩa là có thể phân biệt các đường truyền có chiều dài khác nhau 7,5m ) để tiến hành các phép đo về trề lan truyền của tín hiệu trong tòa nhà và khu dân cư Thiết bị này cho thấy hình dạng chi tiết của hiện trạng trề công suất có ảnh hưởng rất ít đến hoạt động của hệ thống vô tuyến Do vậy, các nghiên cứu sẽ tập trung vào trễ là trề lan truyền

Nói chung, trễ của tín hiệu indoor sẽ rất nhỏ hơn so với tín hiệu lan truyền outdoor Hình 2.3 thể hiện dạng trề trung bình trong một tòa nhà cao 6 tầng,

diện tích rộng Hình 2.4 thể hiện phân bố tích lũy của trễ lan truyền cho tòa nhà này và một tòa nhà văn phòng khác có 2 tầng với diện tích nhỏ hơn Một

hệ thống thông tin di động sẽ phải làm việc trong điều kiện trễ lan truyền tồi nhất, 250ns cho cả hai tòa nhà

Hình 2.3 Dạng trễ tín hiệu lan truyền trong một tòa nhà 6 tầng

Hình 2.4 Phân bố tích lũy trề lan truyền trong hai tòa nhà văn phòng Bultitude đã so sánh các đặc tính indoor tại tần số 900MHz và 1.75GHz sử dụng thiết bị có tham số giống với Devarsirvatham Các phép đo được thực hiện tại một tòa nhà xây bằng gạch, cao 4 tầng, và một tòa nhà hiện đại xây bằng bê tông Chúng ta có thể thấy được sự khác nhau trong kết quả đo, nhưng

nó chịu ảnh hưởng nhiều về vị trí hơn là tần số làm việc Trong một tòa nhà, trễ lan truyền RMS có giá trị lớn hơn một chút tại tần số 1.75GHz ở trên 90%

vị trí được đo (28ns so với 26ns) Kết quả đo cũng cho thấy vùng phủ sóng trong cả hai tòa nhà là có bán kính nhỏ hơn tại tần số 1.75GHz so với tại tần

số 900MHz

Một mô hình thống kê cho lan truyền nhiều tia tín hiệu trong nhà được tiến hành bởi Salah và Valenzuela trên tần số 1.5GHz sử dụng máy phát xung 10ns trong một tòa nhà kích thước trung bình Kết quả của hai ông cho thấy, kênh thông tin indoor gần như tĩnh, nghĩa là chúng biến đổi rất chậm Đặc

tính tự nhiên và thống kê của đáp ứng xung được xem là độc lập với phân cực của tín hiệu phát và thu khi không tồn tại đường truyền thẳng LOS Trề lan truyền lớn nhất trong phòng từ 100 đến 200ns, nhưng thỉnh thoảng giá trị này

đạt 300ns khi đo tại sảnh Trễ lan truyền RMS đo được trong tòa nhà có giá trị trung bình 25ns, và có giá trị lớn nhất (tồi nhất) là 50ns (bằng 1/5 so với giá trị của Devarsirvatham đo trong tòa nhà rộng )

Cuối cùng, Rappaport, một lần nữa sử dụng các thiết bị đo tương tự, nghiên cứu lan truyền nhiều tia trong một nhà xưởng tại tần số 1300MHz Ta thấy rõ sự khác nhau về mặt vật lý của các tòa nhà, về kỹ thuật xây dựng, về

bố trí nội thất…sẽ là nguyên nhân làm cho đặc tính lan truyền tín hiệu sẽ khác nhau.Trên thực tế, ta thấy rằng hệ số suy hao n có giá trị xấp xỉ 2,2 và phading Racian là tiêu chuẩn Trề lan truyền RMS có giá trị từ 30 đến 300ns,

và có giá trị trung bình là 96ns cho đường truyền LOS và 105ns cho đường truyền NLOS

Bảng 2.3 Các tham số thực nghiệm từ các nghiên cứu về lan truyền sóng

trong nhà

2.2 Mô hình giải tích truyền sóng trong nhà (Ray tracing)

Các mô hình lan truyền thường nhận ra rằng khi khi một vật thể nằm chắn trên đường truyền của tia sóng, thì tia sóng có thể phản xạ, tán xạ hoặc trong một số trường hợp bị khúc xạ xung quanh rìa của vật thể Môi trường indoor chứa rất nhiều vật thể có cấu trúc phức tạp Việc xác định đường đi của một tia sóng là điều khó thực hiện được

Để xác định đường đi của một tia sóng lan truyền từ máy phát đến máy thu, chúng ta có một số phương pháp nhưng hiệu quả nhất là phương pháp ray tracing (tìm vết) Phương pháp này dựa trên công nghệ xử lý ảnh Ray tracing xem tất cả các vật cản như là vật phản xạ tiềm tàng và tính toán ảnh hưởng của chúng dựa trên xử lý ảnh Đây là cách tiếp cận có tính phân tích kỹ lưỡng, yêu cầu tính đến tất cả các tia phát sinh do phản xạ hoặc khúc xạ Do đó, với một môi trường đơn giản, thời gian tính toán sẽ ít Với môi trường phức tạp, cơ sở dữ liệu về môi trường như công trình, số bức tường, cấu tạo, vật liệu…vô cùng lớn và thời gian tính toán lớn, phương pháp tính toán rất phức tạp Do đó, vị trí giữa máy phát và máy thu được xác định trong tọa độ không gian 3 chiều Cường độ của tia phản xạ và tia phát được tính toán thông qua kỹ thuật quang hình học Tia khúc xạ được xử lý bằng một trong các kỹ thuật tiêu chuẩn, đó

là UTD Sự tồn tại hay không của một đường truyền LOS sẽ được xác định sau khi một nguồn tín hiệu giả được thiết lập Dữ liệu ảnh sẽ được tạo ra bằng cách phản xạ nguồn tín hiệu giả lên tất cả bề mặt của vật cản có liên quan

Để mô phỏng quá trình này, một chuồi các bức tường được tạo ra Hình 2.5b là biểu đồ một phần của chuỗi bức tường (có cấu trúc hình cây) cho sơ đồ

bố trí đơn giản hình 2.5a