Tổng quan về mô hình truyền sóng COST 231 tron thông tin di động. Phân tích , đưa ra công thức suy hao và đưa ra ứng dụng của mô hình trong thực tế. Tổng quan về mô hình truyền sóng COST 231 tron thông tin di động. Phân tích , đưa ra công thức suy hao và đưa ra ứng dụng của mô hình trong thực tế.
Trang 1TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG
MÔN: TRƯỜNG ĐIỆN TỪ VÀ TRUYỀN SÓNG
Giảng Viên : Phạm Duy Phong
Nhóm thực hiên: NHÓM: 2
Lớp : D7-DTVT2
Hà Nội , Ngày
Trang 2MỤC LỤC
Trang 3Danh mục hình ảnh :
Hình 1.1 Hiệu ứng Doopler ……….9
Hình 1.2 Phổ Doppler của một song mang không điều chế……… 9
Hình 1.3 Hiện tượng pha đinh……… 11
Hình 1.4 Hàm mật độ xác xuất Rayleigh……… …….….11
Hình 2.1 Tổn hao đường truyền tín hiệu trong mô hình Hata…… … 14
Hình 2.2 Biểu đồ cường độ trường của OKUMURA ……… 16
Hình 2.3 Thông số anten của mô hình COST 231………18
Hình 3.1 Đồ thị suy hao sử dụng mô hình COST 231 Hata……… 22
Hình 3.2 Đồ thị suy hao sử dụng mô hình COST 231 Walfish-Ikegami….23 Hình 3.3 Sự phản xạ và tán xạ của song điện từ trong không gian……….25
Hình 3.4 Hiện tượng fading đa đường ………26
Trang 4Danh sách thành viên và công việc
1 Trần Việt Hưng Đọc và dịch tài liệu, tổng hợp tài
liệu, viết mục lục, tổ chức thảo luận
đề cương và phân công công việc cho các thành viên.
2 Vũ Thị Hường Đọc và dịch tài liệu, thiết kế bìa ,viết
lời giới thiệu chung và tổng quan, tìm hiểu tổng quan về mô hình Cost
231
3 Tống Thị Huyền Đọc và dịch tài liệu , thảo luận đề
cương ,tìm hiểu về tổng quan mô hình Hata
4 Vũ Nam Hải Đọc và dịch tài liệu, tìm hiểu về
tổng quan mô hình Okumura
5 Nguyễn Thị Hạnh Đọc và dịch tài liệu, tìm hiểu về ứng
dụng của mô hình Cost 231
6 Nguyễn Thị Huệ Đọc và dịch tài liệu, tìm hiểu về các
thông số kĩ thuật của Cost 231 trong thông tin di động
7 Nguyễn Văn Hùng Đọc và dịch tài liệu, tìm hiêu về tổn
hao truyền sóng trong mô hình Cost 231
8 Phùng Đắc Khánh Đọc và dịch tài liệu, tìm hiểu tổng
quan về mô hình Cost 231, tổng hợp tài liệu làm power point
9 Trần Đức Liêm Đọc và dịch tài liệu, tìm hiểu tổng
quan về mô hình truyền sóng IMT 2000
10 Trương Thị Kim Liên Đọc và dịch tài liệu, tìm hiểu tổng
quan về thông tin di động và truyền sóng
11 Vũ Tùng Linh Đọc và dịch tài liệu, tìm hiểu về
phương pháp chống suy hao trong truyền sóng
Trang 5LỜI NÓI ĐẦU
Ở nước ta trong những năm gần đây tình hình phát triển của thông tin di động cũng rất ngoạn mục với sự tăng trưởng rất nhanh của số mạng
di động cũng như số thuê bao Với sự phát triển nhanh chóng của các dịch
vụ dữ liệu, chắc chắn trong tương lai gần các hệ thống vô tuyến di động thế
hệ thứ 3 và hơn nữa sẽ xâm nhập vào Việt Nam Trong tình hình như vậy, việc tìm hiểu sâu về các mô hình truyền sóng và dự đoán tổn hao đường truyền cho các hệ thống như vậy là một việc hết sức cần thiết, có ý nghĩa quan trọng đối với công tác tính toán thiết kế vô tuyến cho các mạng di động từ 3G trở lên trong tương lai Trước những vấn đề mang tính chất thời sự trên, việc nghiên cứu tìm hiểu về các mô hình truyền sóng và các mô hình dự đoán tổn hao đường truyền đã được phát triển trong dự án COST
231 của Cộng đồng Châu âu cho các hệ thống vô tuyến di động từ 3G trở lên, đặc biệt là việc đi sâu tìmhiểu một số mô hình truyền sóng trong dải tần của các hệ thống thông tin di động thế hệ 3 có một ý nghĩa thiết thực trong
xu thế hội nhập công nghệ viễn thông của chúng ta Xuất phát từ ý tưởng trên, chúng em quyết định chọn thực hiện đề tài tiểu luận: “Một số mô hình truyền sóng COST 231 cho các thế hệ di động tương lai”.
Mục tiêu của tiểu luận là nghiên cứu tìm hiểu về các mô hình truyền sóng và các mô hình dự đoán tổn hao đường truyền đã được phát triển trong dự án COST 231, tập trung đi sâu tìm hiểu một số mô hình truyền sóng trong dải tần của các hệ thống thông tin di động thế hệ 3.
Tiểu luận thực hiện theo phương pháp: nghiên cứu đặc điểm, cách thức thực hiện trên từng mô hình, trên cơ sở đó phân tích, so sánh và đánh giá lợi thế cũng như khả năng ứng dụng của từng mô hình trong các điều kiện
hệ thống thực tế.
Chúng em xin cảm ơn thầy Phạm Duy Phong đã giao cho chúng em tìm hiểu bài tiểu luận này, nhờ thầy mà chúng em tiếp thu được nhiều kiến thức bổ ích mà còn học được tinh thần làm việc nhóm, thái độ nghiên cứu khoa học nghiêm túc, hiệu quả đây là những điều rất cần thiết cho chúng
em trong quá trình học tập và công tác sau này
Chúng em xin chân thành cảm ơn!
Trang 6TÓM TẮT TIỂU LUẬN
Tiểu luận được bố cục thành 3 chương
Giới thiệu chung
Chương 1: Tổng quan về kênh thông tin vô tuyến di động
Nêu khái niệm về , thông tin di động thông tin di động tế bào Chương này nêu ra các đặc điểm truyền sóng trong thông tin di động, một số các kỹ thuật, các phương pháp đa truy cập kênh thường sử dụng trong hệ thống
di động tế bào.
Chương 2: Một số mô hình ứng dụng trong thông tin di động
Nêu ra một số mô truyền sóng , đặc điểm , tính chất, ứng dụng trong hệ thống thong tin di động Trình bày những suy hao đường truyền trên địa hình bằng phẳng cũng như đồi núi Từ đó đưa ra một số mô hình truyền sóng và dự đoán tổn hao đường truyền như mô hình Okumura, mô hình Hata, mô hình COST 231, IMT 2000……… Trong thông tin di dộng.
Chương 3: Mô hình truyền sóng theo COST 231
Đối với hệ thống thông tin di động thế hệ 3G mô hình phù hợp nhất là Cost
231 với dải tần 2 GHz Trong chương này trình bầy mô hình tính toán dự đoán truyền sóng tiêu biểu đã được phát triển trong dự án COTS 231 Chất lượng của mô hình cũng như giới hạn của chúng, được phân tích đánh giá chi tiết trong chương này.
Kết luận
Trang 7Chương 1
TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN SÓNG TRONG THÔNG TIN
DI ĐỘNG
Thông tin di động tế bào
Thông tin di động dạng tế bào là một hệ thống thông tin số ra đời và phát triển rất mạnh mẽ, đáp ứng được nhu cầu ngày càng cao của con người Trong quá trình phát triển mạng thông tin di động tế bào đang phải đối mặt với những thách thức to lớn Vấn đề truyền lan đa đường, ảnh hưởng của pha-đinh, được khắc phục nhờ sự phát triển của kỹ thuật phân tập không gian thực hiện trên các hệ thống thu phát đa ăng-ten Vấn đề suy hao truyền dẫn cũng đang được quan tâm, để khắc phục không chỉ đơn thuần là tăng công suất phát vì nó ảnh hưởng tới yêu cầu nhỏ gọn, cơ động của các máy cầm tay Các hệ thống thông tin di động đang phát triển rất nhanh chóng với nhịp độ trung bình 10 năm lại có một thế hệ thống tin di động mới ra đời.
1.2 Các đặc điểm truyền sóng trong thông tin di động
Do tín hiệu được thực hiện qua kênh vô tuyến nên chất lượng liên lạc phụ thuộc vào hàng loạt yếu tố khác nhau như địa hình, khoảng cách liên lạc, dải tần, khí quyển, tốc độ di chuyển của trạm di động , mật độ thuê bao trên một đơn vị tần số trong một đơn vi diện tích, anten ,công suất phát,, sơ
đồ điều chế… về cơ bản ta có thể chia thành các loại: ảnh hưởng của hiệu ứng Doppler, tổn hao đường truyền, pha đinh và trải trễ.
1.2.1 Hiệu ứng Doppler
Hiệu ứng Doppler là sự thay đổi tần số của tín hiệu thu được so với tín hiệu phát đi, gây bởi sự chuyển động tương đối giữa máy phát và máy thu trong quá trình truyền sóng Khi MS di động so với BS hoặc khi các chướng ngại vật di động thì tia sóng tới máy thu MS còn chịu tác động của hiệu ứng Doppler.
Khi BS phát sóng mang , không điều chế Xét tia tới thứ i như hình với góc :
Trang 8Khi α phân bố đều, tần số Doppler sẽ có phân bố cosin ngẫu nhiên mật độ phổ công suất S(f) có thể được tính như sau:
Công suất tín hiệu tới theo góc dα là công suất Doppler S(f)df trong đó df
là vi phân của α theo lượng dịch tần Doppler cosα dẫn đến việc truyền một sóng mang không điều chế sé được thu như một tín hiệu nhiều tia , có phổ không còn là một tần số đơn nữa mà là 1 phổ bao gồm các tần số thuộc (± )
Hình 1.2 Phổ Doppler của một song mang không điều chế
Trang 9Tổng quát, nếu tín hiệu là một sóng mang có điều chế thì phổ thu được của một MS có tốc độ cụ thể dạng :
S(f)= (1.3)
A: là hằng số
: phụ thuộc vào tích của v và tần số truyền.
1.2.2 Tổn hao đường truyền
Tổn hao đường truyền là hiện tượng suy giảm mức điện thu với mức điện phát Trong không gian truyền sóng tự do, mức điện trung bình của tín hiệu thu giảm dần theo bình phương khoảng cách từ máy phát tới máy thu do công suất tín hiệu trên một đơn vị diện tích của mặt cầu sóng giảm dần theo bình phương khoảng cách giữa các anten thu và phát Tổn hao đường truyền phụ thuộc tần số bức xạ, địa hình, tính chất môi trường, mức
độ di động của các chướng ngại, độ cao anten, loại anten… Về nguyên tắc tổn hao đường truyền hạn chế kích thước tế bào và cự li liên lạc, song trong nhiều trường hợp ta có thể sử dụng tính chất của tổn hao đường truyền để phân chia hiệu quả của tế bào, cho phép tái dụng tần số một cách hữu hiệu làm tăng hiệu quả sử dụng tần số.
1.2.3 Pha – đinh
Khi khoảng cách MS-BS tăng mức điện thu trung bình giảm Qua những khoảng cách tương đối ngắn ,mức điện thu trung bình là không đổi song mức tín hiệu thu tức thời có thể thay đổi nhanh chóng với những lượng tiêu biểu 40dB Những thay đổi nhanh chóng này được gọi là pha- đinh nhanh.
Trang 10Hình 1.3 Hiện tượng pha đinh Nguyên nhân :sự lan theo nhiều tia của sóng vô tuyến trong môi trường di động ( do phản xạ , nhiễu xạ và tán xạ từ các chướng ngại ) pha – đinh này còn được gọi là pha – đinh đa đường ( hình 1.4).
Xét trường hợp đơn giản nhất ,khi MS “ dừng “ và không có các chướng ngại di động Do sóng tới MS theo rất nhiều đườngkhác nhau và nếu các tia này độc lập nhau thì bao tín hiệu thu được sẽ có pdf ( probability density function: hàm mật độ xác xuất Rayleigh có dạng :
F(x)= (1.4)
Pha- đinh được gọi là phẳng nếu nó xảy ra như nhau với ∀f ∈W của kênh
Hình 1.4 Hàm mật độ xác xuất Rayleigh
1.2.4 Hiện tượng trải trễ
Trong thực tế, sóng mang được điều chế Trong thông tin di động số, ảnh hưởng của đặc tính truyền dẫn đa đường còn phụ thuộc vào tỷ số giũa độ dài một dấu( symbol) và độ trải trễ ( delay spread) của kênh vô tuyến biến đổi theo thời gian Độ trải trễ có thể xem như độ dài của tín hiệu thu được khi một xung cực hẹp được truyền đi.
Trang 11mô hình Okumura sang công thức toán học Địa hình trong mô hình được giả thiết là khá bằng phẳng, không có bất thường
2.1.2 Thông số kĩ thuật
: tần số sóng mang 150≤ ≤1500 (MHz)
: độ cao anten trạm gốc(BS) 30 m ≤hb ≤200 m
: chiều cao anten trạm di động(MS) 1 m ≤hm ≤10 m
d: khoảng cách truyền( khoảng cách giữa BS-MS) 1 km ≤d ≤20 km.
2.1.3 Công thức Hata tính suy hao đường truyền
= 69,55+26,16 log-13,82 log- a()+(44,9-6,55 log)×log d
Mô hình này được biết là chính xác tới trong vòng 1 dB đối với trường hợp 1km≤d≤20km Với mô hình Hata tổn hao đường truyền tính theo đơn vị dB là:
Trong đó
(1) Đối với vùng nội thành
(2) Đối với vùng ngoại thành
(3) Đối với vùng có địa hình mở rộng( nông thôn)
A=69,55+26,16 lg-13,821lg-a()
B=44,9-13,821lg
C=5,4+2^2
D=40,94+4,78^2-18.33 log
Trang 12a() được tính như sau:
- Đối với thành phố vừa và nhỏ
a()= (1,1 lgofc – 0,7)hm – (1,56logfc – 0,8) [dB].
- Đối với thành phố lớn
a() = 8,29(log1,54hm)^2- 1,1[dB] fc ≤ 200MHz
hoặc a() = 3,2(log11,75hm)^2 - 4,97[dB] fc ≤ 400MHz
- Đối với vùng ngoại ô
= (thành phố) - 2 {log(fc/28 )^2 - 5,4} [dB]
- Đối với vùng nông thôn( thông thoáng)
= (thành phố) - 4,78(log)^2 + 18,33 log - 40,49 [dB]
Hình 2.1 Tổn hao đường truyền tín hiệu trong mô hình Hata
Hình biểu thị tổn hao đương truyền được tính theo mô hình HataCác giá trị tính theo mô hình Hata(ở các thành phố lớn) ở hình vẽ trên với độ cao anten trạm gốc là 70m, độ cao anten di động là 1,5m, tần số sóng mang
là 900 MHz.
2.1.4 Ứng dụng
Tổn hao đường truyền được mô hình hóa ở đây là đối với vùng ngoại
ô của Nhật Bản và không phù hợp với vùng ngoại ô của Bắc Mỹ Mô hình này được xây dựng dựa trên suy hao đường truyền của các anten isotropic Trong mô hình Hata không thể xét kiệu chỉnh cho đương truyền cụ thể như trong mô hình Okumura Mô hình này chỉ tập trung chủ yếu ở các vùng dân
cư thành phố lớn.
Trang 13ví dụ: khu vực cánh đồng, nông trang.
_ Khu vực ngoại ô: khu vực làng xã, đường cao tốc với cây và nhà thưa thớt trong khu vực này có một số vật thể chắn nhưng không che hoàn toàn _ Khu vực hành phố: khu vực có nhiều nhà cao tầng san sát nhau, dân cư đông đúc, cây cối trông hành hàng san sát nhau.
Công thức Okumura:
L Okumura = L fs + A m
trong đó:
A m hệ số suy hao dự đoán
L fs suy hao lan truyền trong không gian tự do
2.2.3 Suy hao đường truyền
Okumura đưa ra những thử nghiệm trên tất cả các loại địa hình trên tại những tần số khác nhau, với những độ cao anten khác nhau và sử dụng
Trang 14các công suất phát khác nhau Đối với mỗi loại địa hình có một biểu đồ tương ứng chỉ ra tổn hao ứng với loại địa hình đó.
Hình 2.2 Biểu đồ cường độ trường của OKUMURA
Ta thấy rằng sự đo lường của Okumura chỉ cho thấy sự suy giảm của cường độ tín hiệu theo khoảng cách, nhưng nó giảm nhanh hơn nhiều so với những gì ta đã biết trong không gian tự do.
Bằng thực nghiệm, mô hình Okumura đưa ra công thức sau:
L 50 (dB) = L F + A mu (f,d) - G(h te ) - G(h re ) - G area
trong đó:
• L 50 (dB): là 50% giá trị của pathloss
• L F : pathloss trong không gian tự do
• A mu (f,d): sự suy giảm tương đối trung bình trong không gian tự do
• G(h te ): chiều cao tăng ích của trạm angten cơ sở
G(h te ) = 20log ( ) với 1000m > h te >30m.
• G(h re ): chiều cao tăng ích của angten di động
G(h re ) = 10log ( ) với h re ≤ 3
G(h re ) = 20log ( ) với 10m > h re > 3m
Trang 15• G area : hệ số khuếch đại( tùy thuộc vào môi trường đang xét).
2.3 Mô hình COST 231- Walfish-Ikegami
2.3.1 Giới thiệu
Mô hình này dựa trên các đóng góp khác nhau của các thành viên trong “Nhóm nghiên cứu các mô hình truyền sóng của dự án COST 231”, được gọi là mô hình COST-Walfish-Ikegami(COST-WI) Mô hình này cho phép ước lượng tổn hao đường truyền kĩ hơn thông qua việc xem xét nhiều
dữ liệu đặc tả môi trường đo thị hơn.
Trang 162.3.2 Thông số kĩ thuật
Hình 2.3 Thông số anten của mô hình COST 231
- Độ cao của các tòa nhà
- Độ rộng của cá con đường w.
: tổn hao trong không gian tự do
: tổn hao do nhiễu xạ và tán xạ bởi các nóc tòa nhà
= -16.9 – 10log(w) + 10log() + 20log +
Trang 172.4.1 Giới thiệu chung
IMT-2000 là mạng Quốc tế viễn thông di động được sinh ra tại ITU như hệ thống thế hệ thứ ba cho viễn thông di động IMT-2000 là kết quả của sự hợp tác của nhiều đơn vị, trong ITU ( ITU-R và ITU-T ), và bên ngoài ITU ( 3GPP, 3GPP2 , UWCC và vvv… )
IMT-2000 cung cấp hạ tầng kỹ thuật cho các dịch vụ gia tăng và các ứng dụng trên một chuẩn duy nhất cho mạng thông tin di động.
Các tiêu chuẩn công nghệ của hệ thống thông tin di động thế hệ ba: + IMT-2000 CDMA Direct Spread (trải phổ trực tiếp), thường được biết dưới tên WCDMA.
+MT-2000 CDMA Multi-Carrier (nhiều sóng mang), đây là phiên bản 3G của
hệ thống IS-95 (hiện nay gọi là cdmaOne)
+ IMT-2000 CDMA TDD
+ IMT-2000 TDMA Single-Carrier (một sóng mang), các hệ thống thuộc nhóm này được phát triển từ các hệ thống GSM hiện có lên GSM 2+ (được gọi là EDGE).
+IMT-2000 FDMA/TDMA (thời gian tần số), đây là hệ thống các thiết bị kéo dài thuê bao số ở châu Âu.
+ IMT-2000 OFDMA TDD WMAN (thường được biết dưới tên WiMAX di động).
2.4.2 Thông số kĩ thuật
Sử dụng dải tần quy định quốc tế 2GHz như sau:
Đuờng lên: 1885 – 2025 MHz
Đường xuống: 2110 -2200 MHz.
IMT-2000 hỗ trợ tốc độ đường truyền cao hơn:
+Cho người dùng văn phòng hoặc đi bộ tốc độ tối thiểu là 2Mbps
Trang 18+Khi di chuyển trên xe 348Kbps
Môi trường hoạt động của IMT – 2000 được chia thành 4 vùng với tốc độ bit R như sau:
+ Vùng 1: Trong nhà, ô pico, Rb ≤ 2 Mbit/s
+ Vùng 2: thành phố, ô macrô, R b ≤ 384 kbit/s
+ Vùng 2: ngoại ô, ô macrô, Rb ≤ 144 kbit/s
+ Vùng 4: toàn cầu, Rb = 9,6 kbit/s.
2.4.3 Ứng dụng
Công nghệ W-CDMA có các đặc tính năng cơ sở sau:
+ Hoạt động ở CDMA băng rộng với băng tần 5MHz;
+ Lớp vật lý linh hoạt để tích hợp tất cả các tốc độ trên một sóng mang; + Tái sử dụng bằng 1.
Ngoài ra công nghệ này có các tính năng tăng cường sau:
+ Phân tập phát;
+ ăng ten thích ứng
+ Hỗ trợ các cấu trúc thu tiên tiến.
Với các đạc tính vật lý linh hoạt,tốc độ cao do đó WCDMA có khả năng hỗ trợ các dịch vụ băng rộng như truy cập Internet tốc độ cao, xem phim, nghe nhạc…
Được các nước châu Âu, Nhật Bản, Hàn Quốc và Mỹ…phân bổ với các dải tần số khác nhau.
Chuẩn 3G mà Bộ Thông tin và Truyền thông Việt Nam đã cấp phép là chính
là WCDMA ở băng tần 2100 MHz Công nghệ này hoạt động dựa trên CDMA
và có khả năng hỗ trợ các dịch vụ đa phương tiện tốc độ cao như video, truy cập Internet, hội thảo có hình WCDMA nằm trong dải tần 1920 MHz -1980 MHz, 2110 MHz - 2170 MHz.