Kỹ thuật tổ hợp tỷ số cực đại

Đối với các môi trường này ta sử dụng các công cụ mô hình có sự hỗ trợ của máy tính để dự đoán các đặc tính truyền lan của tín hiệu [5].. Vì các cell nhỏ hơn thường được quan tâm hơn nhằ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

LÊ XUÂN HOẰNG

Hà Nội 2008

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: TỔN HAO ĐƯỜNG TRUYỀN VÀ SUY GIẢM CHE KHUẤT11

1.1 Giới thiệu về sự truyền lan của sóng vô tuyến trong kênh di động 12

1.2 Mô hình tín hiệu 13

1.3 Tổn hao trong không gian tự do 14

1.4 Kỹ thuật tia 15

1.4.1 Mô hình hai tia 17

1.4.2 Mô hình tia tổng quát 20

1.5 Mô hình tổn hao đường truyền được đơn giản hóa 23

1.6 Các mô hình tổn hao đường truyền thực tế 24

1.6.1 Mô hình Okumura 25

1.6.2 Mô hình Hata 25

1.6.3 Mô hình đa suy giảm 26

1.6.4 Mô hình suy giảm trong nhà 28

1.7 Suy giảm che khuất theo loga chuẩn 29

1.8 Kết hợp tổn hao đường 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 MÔ HÌNH KÊNH ĐA ĐƯỜNG THỐNG KÊ 37

2.1 Đáp ứng xung của kênh thay đổi theo thời gian 37

2.2 Các mô hình fading băng hẹp 41

2.2.1 Hàm tự tương quan, hàm tương quan chéo, và hàm mật độ phổ công suất 42 2.2.2 Phân bố công suất và đường bao 48

2.3 Các mô hình fading băng rộng 51

2.3.1 Hàm cường độ đa đường 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 tương quan 58

2.3.5 Tương quan đường bao 59

CHƯƠNG 3: PHÂN TẬP 60

3.1 Cách thu nhận các đường fading độc lập 60

3.2 Mô hình hệ thống thu phân tập 61

3.3 Tổ hợp chọn lựa 63

3.4 Tổ hợp ngưỡng 65

3.5 Kết hợp tỷ số cực đại 67

3.6 Tổ hợp có hệ số khuyếch đại bằng nhau 69

3.7 Phương pháp thống nhất để phân tích hiệu năng của MRC 70

3.7.1 Tín hiệu, hệ thống và các mô hình kênh 71

3.7.2 Biểu diễn dạng tích của BER có điều kiện 75

3.7.3 BER trung bình đối với trường hợp thu kênh đơn (L =1) 76

3.7.4 BER trung bình đối với trường 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 phương 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 CÓ TƯƠNG 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 mô phỏng và phân tích 102

4.4 KẾT LUẬN 103

KẾT LUẬN 104

TÀI LIỆU THAM KHẢO 105

PHỤ LỤC 108

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

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

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

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

Mô hình Markov trạng thái hữu hạn Tia phản xạ mặt đất

Mô hình tia tổng quát

Tia phản xạ đất tường

Phân bố độc lập bất biến theo thời gian

Nhiễu xuyên kí hiệu Mạng cục bộ

Sai số bình phương trung bình

Mật độ phổ công 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

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

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: Mô hình tia 16

Hình 1.3: Mô hình hai tia 17

Hình 1.4: Công suất nhận được theo khoảng cách đối với mô hình hai tia 19

Hình 1.5: Nhiễu xạ lưỡi dao 21

Hình 1.6: Tán xạ 21

Hình 1.7: Mô hình đa suy giảm cho tổn hao đường truyền 27

Hình 1.8: Đường bao của công 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 không dừng 41

Hình 2.4: Hàm Bessel đối với f D 45

Hình 2.5: PSD của tín hiệu cùng pha và tín hiệu vuông pha 46

Hình 2.6: Tần số Doppler f D 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 công 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: Mô 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 mô phỏng theo SNR cho trường hợp có 1,2,3,4 và 5 anten thu 90

(bao gồm BER trong kênh AWGN không có fading) 90

Hình 4.3: So sánh kết quả BER mô phỏng với kết quả BER phân tích 91

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 mô 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 mô phỏng theo SNR cho trường hợp có hai anten thu ở trạm BS 102

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 đòi hỏi băng tần rộng, có dịch vụ chỉ đòi hỏi băng tần hẹp, có những dịch vụ đòi 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 công nghệ mới đã ra đời Để đáp ứng được những nhu cầu về các loại hình dịch vụ đòi hỏi băng tần rộng thì hiện nay

ta sử dụng công 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 công nghệ truyền dẫn

vô tuyến Theo nghiên cứu của Hert trong thập kỷ 1880 thì sóng điện từ có thể truyền trong không gian tự do Đối với đường truyền vô tuyến thì nó có ưu điểm là băng tần không bị hạn chế nhưng nó lại có nhược điểm là khi sóng điện từ truyền trong môi trường

vô tuyến thì nó gặp phải rất nhiều khó khăn bởi nó không chỉ nhạy cảm với ồn, nhiễu, sự cản trở, và hiện tượng đa đường, mà sự trở ngại này còn thay đổi theo thời gian mà ta không 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 vô tuyến đã được áp dụng, một trong những kỷ thuật thu có hiệu quả nhất là kỷ thuật phân tập không gian, điển hình cho kỹ thuật phân tập không 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 công suất của tín hiệu thu theo khoảng cách do sự tổn hao đường truyền và sự cản trở tín hiệu Tiếp theo ta sẽ mô tả và giới thiệu

sơ qua về mô hình tín hiệu, ta sẽ trình bày mô hình truyền lan tín hiệu đơn giản nhất, cụ thể là mô hình truyền lan tín hiệu trong không gian tự do Sau đó ta sẽ mô tả các mô hình truyền lan tia Các mô hình này được sử dụng để xấp xỉ sự truyền lan sóng theo phương trình Maxwell Các mô hình tia phụ thuộc nhiều vào tính chất hình học và tính chất điện môi của vùng mà tín hiệu truyền qua Ta cũng sẽ trình bày một số mô hình tổng quát 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 mô hình thống kê đa đường Trong chương này sẽ trình bày về các mô hình kênh fading đa đường thống kê có đáp ứng xung thay đổi theo

thời gian Cụ thể ta sẽ trình bày về các mô hình kênh fading băng hẹp và mô 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 không 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

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 không chỉ nhạy cảm với ồn, nhiễu, sự cản trở, và hiện tượng

đa đường, mà sự trở ngại này còn thay đổi theo thời gian mà ta không thể dự đoán được

do sự chuyển động của người dùng Trong chương này ta sẽ mô tả đặc trưng sự thay đổi công 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 mô 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 môi trường ngoài trời và nhỏ hơn đối với môi 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 mô hình kênh đối với tổn hao đường truyền và suy giảm che khuất

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 vô 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 vô tuyến từ hòn đảo Wight tới một con tàu cách xa đảo 18 dặm: Đây chính là việc thử nghiệm đầu tiên về hệ thống vô tuyến di động

Sóng điện từ truyền qua môi 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 toán 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 mô tả truyền lan tín hiệu mà không dùng đến các phương trình Maxwell Phương pháp xấp xỉ thông 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: Mô hình này xét đến sự ảnh hưởng của phản xạ và nhiễu xạ đối với dạng sóng mà không tính đến hiện tượng tán xạ phức tạp hơn được dự đoán bởi cặp phương trình vi phân của Maxwell Mô hình tia đơn giản nhất là mô hình hai

Tổn hao đường truyền

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

tia, mô hình này mô 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

mô 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 mô 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 mô hình tia Trong các trường hợp này thường sử dụng mô hình phân tích dựa trên giá trị đo thực tế Và ta sẽ trình bày một vài mô hình thực tế thông dụng nhất

Thường do sự phức tạp và sự biến đổi của kênh vô tuyến làm cho ta khó có thể có được một mô hình kênh xác định chính xác Đối với các trường hợp này ta thường sử dụng các mô hình thống kê Sự suy giảm do sự cản trở đường tín hiệu của các tòa nhà hay các vật thể khác được mô 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 môi của môi trường

vô tuyến, thì các mô hình thống kê cung cấp quá 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 môi 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 mô hình có sự hỗ trợ của máy tính để dự đoán các đặc tính truyền lan của tín hiệu [5]

1.2 Mô 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 không có khả năng đâm xuyên tầng điện ly hoặc nếu có thì cũng rất nhỏ Việc phân tích về sự truyền lan sóng vô 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:

),0

tcf2sin(

)}

t(u)0

tcf2cos(

)}

t(u}

)0

tcf2(je)t(u{(

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 công 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/fclà 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 không gian tự do và mô 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 mô 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 )}

và thành phần vuông pha là khác nhau

1.3 Tổn hao trong không gian tự do

Xét một tín hiệu được truyền qua không 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 không có vật cản giữa bộ phát và bộ thu nên tín hiệu được truyền theo đường thẳng mà không bị phản xạ Tín hiệu nhận được, được xác định từ công thức truyền lan trong không gian tự do [4]:

)0tcf2cos(

)t(ud

4

)/d2(jel

G)

t(sd

4

)/d2(jel

G)

2d4lGt

PrP

)d(10log20)4(10log20)(10log20)lG(10log10dBmtPdBm

Trong kỹ thuật tia ta giả thiết số bộ phản xạ là hữu hạn và có các thuộc tính về điện môi 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 toán của giải pháp này đã làm cho nó không thể trở thành một công cụ

mô hình tổng quát 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 mô hình mô tả chính xác công 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

Nếu bộ phát, bộ thu và các bộ phản xạ đều đứng yên 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 không 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 không biết thì ta sử dụng mô 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 mô tả đặc tính của tín hiệu thu Ta sẽ trình bày về các mô hình fading thống kê cho các ảnh hưởng truyền lan trong chương 2 Các mô hình kết hợp, kết hợp mô hình kỹ thuật tia và fading thống kê, có thể tham khảo trong tài liệu [7,8], tuy nhiên ta sẽ không đề cập chúng ở đây

Mô 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 Mô hình này sử dụng tất cả các tính chất điện môi và tính chất hình học của các vật thể bao quanh bộ phát và bộ thu Các chương trình tính toán 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 môi trường trong nhà và môi trường ngoài trời

Phần tiếp theo ta sẽ trình bày một số mô hình tia phức tạp hơn Ta bắt đầu với một

mô hình hai tia đơn giản, mô hình này dự đoán sự thay đổi tín hiệu gây ra bởi sự phản xạ mặt đất Mô hình này mô tả đặc tính truyền lan tín hiệu trong các vùng bị cô lập và chỉ có một vài bộ phản xạ, như các đường nông thôn và các đường cao tốc Nó không phải là mô hình tốt cho môi trường trong nhà Cuối cùng ta sẽ trình bày một mô hình tổng quát, mô hình này dự đoán sự thay đổi của tín hiệu truyền lan cho một môi trường bất kỳ

Hình 1.2: Mô hình tia

1.4.1 Mô hình hai tia

Mô 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

Hình 1.3: Mô 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 nguyên lý chồng chất, tín

hiệu nhận được của mô hình hai tia là:

)0tcf2cos(

'rr

)/)'rr2je)t(urGRl

)/2(je)t(ulG4

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

phần nhìn thẳng LOS, Gl GaGb 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 Gr  GcGd

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 (Bu1) thì u(t) ≈ u(t-τ) Vì

vậy công suất của tín hiệu nhận được của mô hình hai tia đối với trường hợp băng hẹp là:

2'rr

jerGRllG24tP

r

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:

2d2)hth(2d2)rhth(l'

Zsin

r/2cosr

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 công suất tín hiệu

nhận được xấp xỉ là:

t

Pd

r

ht

hl

Gt

Pd

r

ht

hd

l

Gr

P

22

24

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 công 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

Đối với phân cực đứng Đối với phân cực ngang

tiểu Ở khoảng cách dc, thì điểm cực đại cuối cùng được đạt tới, sau đó công suất tín hiệu giảm tỷ lệ với d-4 Ở khoảng cách tới hạn này các thành phần tín hiệu chỉ đóng vai trò tiêu cực, như thế chúng bị lệch pha ít nhất là  Việc xấp xỉ cho khoảng cách dc 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 dcthường 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 công suất truyền, nên bán kính cell thường nhỏ hơn nhiều so với dc, như thế với mô hình truyền lan tín hiệu hai tia công suất giảm trong các cell tương đối nhỏ này là theo bình phương khoảng cách

Hình 1.4: Công suất nhận được theo khoảng cách đối với mô hình hai tia

Nếu ta tính trung bình cực tiểu và cực đại trong phương trình (1.7), thì tổn hao công 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 d<dc, công suất trung bình giảm theo khoảng cách giống như trong không gian tự do, có nghĩa là công suất giảm tỷ lệ theo bình phương khoảng cách Đối với d>dc, thì công suất giảm theo khoảng cách theo luật bậc 4 như trong

phương trình (1.12) Mô hình này là trường hợp đặc biệt của mô hình suy giảm kép, mô hình này được trình bày chi tiết hơn trong phần 1.6.5 ở dưới, ở đây dc 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 Mô hình tia tổng quát

Mô hình tia tổng quát (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 mô hình này thì cơ sở

dữ liệu của tòa nhà (chiều cao, vị trí và tính chất điện môi) và vị trí của bộ phát và bộ nhận so với các tòa nhà phải được xác định chính xác Vì các thông tin này là mang tính chất riêng, nên mô hình GRT không 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 tòa nhà Không 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 tòa nhà và tính chất điện môi 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

Mô 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 mô 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 công thức dưới đây cho tín hiệu nhiễu xạ nhận được:

)0tcf2cos(

)'dd(d

'd'

d

/))'dd(2(jed

GD)t(u4)

Ỏ đây Gd 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]

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 mô hình tính đến tất cả các hoán 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 không đáng kể so với ồn

'ss2/3)4(

)/)'ss(2(jes

G)t(u

d

' d

Bộ phát

Bộ thu

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 Mô hình này giả thiết rằng tín hiệu truyền lan từ bộ phát tới vật tán xạ dựa trên nguyên lý truyền lan trong không 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

)tf2cos(

sN1

/))sis(2(je)it(uisGi

)dd(d

dd

N1

/))did(2(je)it(uidGiD

rN1

/)ir2(je)it(uirGiRl

/)l2(je)t(ulG4

)t(total

r

0c'

ii

'i

i

'ii

'i'

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 mô 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

1.5 Mô hình tổn hao đường truyền được đơn giản hóa

Sự phức tạp của truyền lan tín hiệu làm cho ta khó có thể có được một mô hình đơn giản để mô tả đặc tính tổn hao đường truyền một cách chính xác cho các loại môi trường khác nhau Các mô hình tổn hao đường truyền chính xác có thể có được từ các mô 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 mô hình đơn giản, mô hình mô tả được bản chất của truyền lan tín hiệu mà không cần đến các mô hình tổn hao đường truyền phức tạp Vì vậy mô 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:

r

P

(1.18)Suy giảm tính theo dB là:

d10log10)dBm(K)dBm(tP)dBm







 20log10(4 d0)/)

môi trường trong nhà và ngoài 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

Bảng 1.1: Các số mũ tổn hao đường truyền điển hình

1.6 Các mô hình tổn hao đường truyền thực tế

Hầu hết các hệ thống truyền thông di động hoạt động trong các môi trường truyền lan phức tạp mà nó không thể được mô tả một cách chính xác bằng tổn hao đường truyền trong mô hình không gian tự do, mô hình tia, và mô hình được đơn giản hóa Một số lượng lớn các mô hình tổn hao đường truyền đã được phát triển qua nhiều năm để dự đoán tổn hao đường truyền trong các môi trường vô tuyến như các cell vĩ mô vùng nội thành, các cell vi mô vùng nội thành, và gần đây hơn là cho các môi trường trong nhà Các mô 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 tòa nhà đã biết Tuy nhiên ứng dụng của các mô hình này không bị hạn chế đối với các môi trường mà ta đã có các giá trị đo đạc thực tế, nó làm cho các mô hình dựa trên thực tế được áp dụng cho các môi trường tổng quát hơn chính xác một cách đáng ngờ Nhiều hệ thống vô tuyến sử dụng các mô hình này làm cơ sở cho việc phân tích hiệu năng Trong phần thảo luận của ta dưới đây sẽ bắt đầu với các mô hình thông dụng cho các cell vĩ mô vùng nội thành, sau đó

sẽ mô tả các mô hình gần đây cho cell vi mô ngoài trời và trong nhà

1.6.1 Mô hình Okumura

Một trong những mô hình thông dụng nhất để dự đoán tín hiệu trong các cell vĩ mô vùng nội thành là mô hình Okumura Mô 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 toàn Tokyo để lập ra một tập đường cong dự đoán sự suy giảm của tín hiệu trong những vùng địa hình không 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 Công 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:

)3/rh(10log20

m3rh,

)3/rh(10log10)r

h

(

G

(1.23)Các hệ số hiệu chỉnh liên quan đến địa hình được sử dụng nhằm mục đích cải thiện

độ chính xác của mô hình Mô hình Okumura có độ lệch chuẩn nằm trong khoảng 10 – 14

dB giữa tổn hao đường truyền được dự đoán bởi mô hình đó và các giá trị đo đạc thực tế trong các hệ thống tế bào nội thành và ngoại ô

1.6.2 Mô hình Hata

Mô hình Hata là một công thức thực tế của dữ liệu tổn hao đường truyền được cung cấp bởi Okumura và là một mô hình chính xác đối với dãy tần số từ 150 – 1500 MHz Các mô hình thực tế này làm đơn giản việc tính toán tổn hao đường truyền vì nó là công thức gần đúng và không 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 mô hình Hata là:

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 mô hình này giống với các tham số trong mô 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 mô hình vùng nội đô thành mô hình truyền lan vùng ngoại ô và vùng nông thôn, vì thế các mô hình này tương ứng là:

L50,ngoại ô(dB) = L50,nội đô(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 thôn) tới 40.94 (đối với vùng sa mạc) Mô hình Hata không cung cấp bất kỳ một hệ số hiệu chỉnh xác định đường truyền nào cả, vì nó đã có sẵn trong mô hình Okumura Mô hình Hata xấp xỉ gần giống với mô hình Okumura đối với khoảng cách d > 1 km Vì vậy nó là một mô hình tốt cho hệ thống tế bào thế hệ đầu, nhưng không phải là mô hình truyền lan tốt cho các hệ thống tế bào hiện tại có kích thước tế bào nhỏ hơn và tần số lớn hơn Mô hình Hata cũng không được sử dụng trong các môi trường trong nhà

1.6.3 Mô 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 mô hình đa suy giảm Sự xấp xỉ này được mô 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 mô hình đa suy giảm biểu diễn việc xấp xỉ với các giá trị đo này Mô 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 mô 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 Mô 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 mô hình đa suy giảm là mô hình suy giảm kép Mô hình suy giảm kép được đặc trưng bởi hệ số tổn hao đường truyền K và số mũ tổn hao đường

truyền 1 cho đến tận giá trị tới hạn dc, sau khoảng thời gian đó công suất giảm theo số mũ tổn hao đường truyền là 2:

cdK

tP

cdddd

dK

t

PdB

r

P

)/(10

log210)0/log(

110

0

)0/(10

log1

10)

(1.27)

Hình 1.7: Mô hình đa suy giảm cho tổn hao đường truyền

Các số mũ tổn hao đường truyền, hệ số tổn hao đường truyền K, và khoảng cách tới hạn dc nhận được qua việc truy hồi dựa vào dữ liệu thực tế Mô hình hai tia được trình bày trong phần 1.4.1 có thể được xấp xỉ theo mô hình suy giảm kép với một điểm uốn ở khoảng cách tới hạn dc và mức suy giảm s1 = 20dB/decade và s2 = 40dB/decade Hệ phương trình trong mô hình suy giảm kép có thể nhận được như sau:

L(d)

Kt

d110d

d)

cho hơn hai vùng

1.6.4 Mô hình suy giảm trong nhà

Các môi trường truyền lan trong nhà có mức độ thay đổi lớn hơn nhiều so với các môi trường ngoài trời Đặc biệt các tòa nhà khác nhau rất nhiều trong việc dùng các vật liệu cho các bức tường và sàn nhà, cách bố trí của các phòng, hành lang, cửa sổ, và không gian, vị trí và chất liệu của vật cản, kích thước của mỗi phòng và số tầng Tất cả các thông

số này có ảnh hưởng lớn đến tổn hao đường truyền đối với môi trường trong nhà Vì vậy khó để tìm ra các mô hình chung có thể được áp dụng chính xác để xác định tổn hao đường truyền đối với môi trường trong nhà

Các mô hình tổn hao đường truyền trong nhà phải xác định chính xác các ảnh hưởng suy giảm trong các tầng do các vách ngăn, cũng như giữa các tầng Các giá trị đo

về các đặc tính của các tòa nhà và các tần số tín hiệu cho thấy rằng mức độ suy giảm trên mỗi tầng, lớn nhất là đối với tầng đầu tiên và giảm dần trong các tầng tiếp theo Chính xác các giá trị đo đạc cho thấy rằng ở tần số 900 MHz độ suy giảm khi bộ phát và bộ thu đặt cách nhau một khoảng bằng khoảng cách của một tầng nằm trong khoảng 10-20dB, trong khi đó độ suy giảm của các tầng tiếp theo từ 6-10dB trên mỗi tầng đối với 3 tầng tiếp theo, và suy giảm chỉ còn là vài dB đối với tầng thứ 4 trở lên Ở các tần số lớn hơn thì tổn hao suy giảm trên mỗi tầng là lớn hơn Độ suy giảm trên mỗi tầng giảm khi số tầng tăng

do có sự tán xạ lên mặt bên của toà nhà và do có sự phản xạ từ các tòa nhà gần kề Các vật liệu làm vách ngăn và tính chất điện môi thay đổi nhiều, và vì vậy gây ra sự tổn hao vách ngăn Bảng 1.2 cho thấy một số ví dụ về sự tổn hao vách ngăn được đo ở tần số 900MHz Tổn hao do vách ngăn nhận được từ các nhà nghiên cứu khác nhau đối với cùng một loại vách ngăn ở cùng tần số thường khác nhau rất nhiều, làm cho ta khó có thể tổng quát được sự tổn hao vách ngăn từ tập dữ liệu xác định

Bảng 1.2: Các tổn hao vách ngăn điển hình

Dữ liệu thực nghiệm cho sự tổn hao của các tầng và tổn hao của các vách ngăn có thể xây dựng thành mô hình đơn giản (1.18) là:

FAF0

d

d10log10KtP

Tham số quan trọng khác đối với các hệ thống trong nhà nơi mà bộ phát được đặt ở bên ngoài tòa nhà là tổn hao đâm xuyên Các giá trị đo cho thấy rằng tổn hao đâm xuyên

là một hàm của tần số, chiều cao và vật liệu làm nhà Tổn hao đâm xuyên đối với tầng trệt nằm trong khoảng từ 8-20dB trong khoảng tần số từ 900 MHz đến 2 GHz Tổn hao đâm xuyên giảm nhẹ khi tần số tăng, và giảm khoảng 1.4dB trên mỗi tầng cho các tầng ở trên tầng trệt Sự giảm này là do giảm ồn ở các tầng cao hơn và khả năng có mặt của tín hiệu nhìn thẳng là cao hơn Số lượng và loại cửa sổ trong nhà cũng có ảnh hưởng đáng kể đến tổn hao đâm xuyên Các giá trị đo về tổn hao đâm xuyên được thực hiện ở phía sau cửa sổ nhỏ hơn 6dB so với các gía trị đo về tổn hao đâm xuyên được thực hiện ở phía sau bức tường Hơn nữa các tấm kính có mức suy giảm 6 dB, trong khi đó các tấm kính có phủ chì

có mức suy giảm nằm trong khoảng từ 3 đến 30 dB

1.7 Suy giảm che khuất theo loga chuẩn

Ngoài tổn hao đường truyền ra thì một tín hiệu sẽ phải chịu sự suy giảm do sự cản trở của các vật thể trên đường truyền tín hiệu đó Vì vậy ngoài các mô hình tổn hao đường truyền, thì một mô hình suy giảm do các vật thể này gây ra cũng rất cần thiết Vì vị trí, kích thước, và các tính chất điện môi của vật thể gây ra suy giảm nhìn chung là không thể biết, nên các mô hình thống kê thường được sử dụng để đặc trưng sự suy giảm này Bây giờ ta sẽ trình bày mô hình suy giảm fading loga chuẩn Mô hình này đã được thực tế xác nhận là một mô hình mô tả chính xác sự thay đổi trong các môi trường truyền lan vô tuyến ngoài trời do các tòa nhà gây ra, nhưng nó lại là mô hình mô tả kém chính xác về sự suy giảm đối với các môi trường trong nhà, vì ở đó số lượng các vật thể và các đặc tính của vật thể thay đổi rất nhiều

Trong mô hình suy giảm theo loga chuẩn công suất tín hiệu thucăn cứ vào tổn hao đường truyền và sự suy giảm che khuất được giả thiết là ngẫu nhiên và có phân bố theo loga chuẩn:

2

210

log10exp2

)ψdBμψ(

ψdBψσπ

ξ

Ở đây ξ = 10/ln10,  dB là giá trị trung bình của dB=10log10 tính theo dB và

 dB là độ lệch chuẩn của dB và cũng tính theo dB Giá trị trung bình của  có thể nhận được từ (1.31) là:

2dBexp

)(E

(1.32)Tổng quát hơn ta có moment bậc k của nó là:

kexp)k

(

E

(1.33)Biến đổi từ giá trị trung bình tuyến tính (tính theo dB) sang giá trị trung bình loga (tính theo dB) tìm được từ (1.33) là:

log

10

(1.34)Hầu hết các đồ thị suy giảm che khuất loga chuẩn là đều dựa trên giá trị trung bình loga  dB, nó được coi là dB SNR trung bình tính theo đơn vị dB Giá trị trung bình tuyến tính (tính theo dB)





10log

Bằng cách đổi biến ta thấy phân bố của  tính theo dB là phân bố Gauss có giá trị trung bình là  dB và độ lệch chuẩn  dB:

2)dBdB

(expdB2

1)

dB

(

p

(1.35)Phân bố loga chuẩn được xác định bởi hai tham số  dB và  dB Nếu suy giảm trung bình do cả tổn hao đường truyền và do hiện tượng che khuất được kết hợp thành mô hình tổn hao đường truyền, thì  d = 0 Tuy nhiên nếu mô hình tổn hao đường truyền không kết hợp suy giảm trung bình do hiện tượng che khuất hoặc nếu mô hình suy giảm che khuất kết hợp tổn hao đường truyền thông qua giá trị trung bình của nó, thì  dB và

 dB phải được nhận từ mô hình phân tích, mô hình mô phỏng hay các giá trị đo thực tế

Nếu giá trị trung bình và độ lệch chuẩn đối với mô hình suy giảm che khuất dựa trên các giá trị đo thực tế thì có một câu hỏi được đặt ra là chúng nên được nhận bằng cách tính giá trị trung bình tuyến tính hay tính trung bình theo dB của các giá trị đo thực nghiệm? Cụ thể là nếu các giá trị đo công suất thực tế nhận được (tuyến tính) là  N

1ii

1

thực tế Trong thực tế thông thường để xác định công suất trung bình và phương sai là dựa vào việc tính trung bình các giá trị đo đạc thực tế (theo dB) Vì những lý do sau đây: Đầu tiên như ta sẽ thấy dưới đây, việc chứng minh bằng toán học cho mô hình loga chuẩn

là dựa trên công suất tính theo dB Thêm vào đó trong tài liệu này cho thấy rằng việc tính các gía trị trung bình thực tế dựa trên các giá trị công suất đo được (tính theo dB) sẽ cho

ta sai số ước lượng nhỏ hơn Cuối cùng như ta đã trình bày trong phần 1.6.3, công suất giảm theo khoảng cách thường nhận được bằng sự xấp xỉ theo mô hình đa suy giảm cho các giá trị đo thực tế của công suất (tính theo dB) theo loga khoảng cách [5]

Hầu hết các nghiên cứu thực tế đối với các kênh ngoài trời cho ta độ lệch chuẩn

 dB nằm trong khoảng từ 5 đến 12 dB đối với các cell lớn, và 4 đến 13 dB đối với các cell nhỏ Công suất trung bình  dB phụ thuộc vào tổn hao đường truyền và các thuộc tính của tòa nhà trong vùng ta quan tâm Công suất trung bình  dB thay đổi theo khoảng cách

do tổn hao đường truyền và thực tế suy giảm trung bình do các vật cản gây ra tăng theo khoảng cách do số lượng vật cản tăng lên

Mô hình Gauss cho phân bố của tín hiệu nhận được trung bình (tính theo dB) có thể được chứng minh bằng mô hình suy giảm dưới đây Mức suy giảm tín hiệu khi nó truyền qua vật thể có chiều rộng d xấp xỉ bằng:

s(d) = ce-d (1.36)

Ở đây c là hằng số hiệu chỉnh và  là hằng số suy giảm phụ thuộc vào chất liệu và các đặc tính của vật cản Nếu ta giả thiết rằng  là giống nhau cho tất cả các vật cản thì mức suy giảm của tín hiệu khi nó truyền qua vùng này là:

s(dt) = ce-dt (1.37)

Ở đây dt là tổng chiều rộng của các vật cản Nếu có nhiều vật cản đặt giữa bộ phát

và bộ thu thì ta có thể xấp xỉ dt bằng biến ngẫu nhiên Gauss Vì vậy log s(dt) = log c - dt

sẽ có phân bố Gauss với giá trị trung bình  và độ lệch chuẩn  Giá trị  phụ thuộc vào môi trường như đã đề cập đến ở phần trước, các giá trị đo thực tế cho thấy  nằm trong khoảng từ 4 và 12 dB

Nhiều nhà nghiên cứu đã sử dụng các giá trị đo đạc mở rộng để mô tả đặc tính tự tương quan thực tế của hiện tượng che khuất đối với các môi trường khác nhau ở các tần

số khác nhau Mô hình phân tích thông dụng nhất cho đặc tính tự tương quan, đầu tiên được đề cử bởi Gudmundson, giả sử suy giảm che khuất (d) là quá trình tự nghịch bậc nhất với giá trị tự tương quan theo khoảng cách  nhận được bởi:

D/D

2dB

)dB)

d(dB

)(

dB)

d(dB(E)

m Mô hình này có thể được đơn giản hóa và sự phụ thuộc vào thực tế có thể loại bỏ bằng cách thiết lập D = 1/e đối với khoảng cách D = Xc khi đó ta nhận được:

cX/e

2dB)

tự tương quan của tín hiệu bằng 1/e của giá trị cực đại của nó và là vào cỡ kích thước của vật cản Đối với hệ thống ngoài trời Xc nằm trong khoảng từ 50 – 100 m Khi người dùng chuyển động với vận tốc v thì giá trị mất tương quan do che khuất trong khoảng thời gian

 nhận được bằng cách thay v =  trong (1.38) hoặc (1.39)

Mô hình tương quan chéo tự nghịch bậc một (1.38) và dạng được đơn giản hóa của

nó (1.39) thì rất dễ dàng phân tích và mô phỏng Cụ thể, ta mô phỏng dB bằng cách phát một tín hiệu ồn trắng và sau đó cho nó truyền qua bộ lọc bậc nhất có một điểm cực ở D

/

D



cho hàm tự tương quan (1.39) Lối ra của bộ lọc sẽ cho ta đường bao suy giảm che khuất có các tính chất tự tương quan mong muốn

1.8 Kết hợp tổn hao đường truyền và suy giảm che khuất

Bây giờ ta sẽ kết hợp mô hình tổn hao đường truyền được đơn giản hóa (1.18) với suy giảm theo loga chuẩn Vì giá trị trung bình fading che khuất

d

d10log10K10log10)dB

nhận được (chẳng hạn như chất lượng âm thanh trong hệ thống tế bào là quá yếu để nhận biết) Tuy nhiên với suy giảm che khuất thì công suất nhận được ở bất cứ khoảng cách đã cho nào so với bộ phát là có phân bố loga chuẩn sẽ có một phần xác xuất rơi dưới Pmin Ta định nghĩa xác suất hiệu dụng Pout (Pmin,d) của một hệ thống có tổn hao đường truyền và suy giảm che khuất là xác suất mà công suất nhận được ở khoảng cách d, Pr(d) rơi dưới

Pmin : Pout(Pmin,d) = p(Pr(d)<Pmin) Đối với trường hợp mô hình tổn hao đường truyền và suy giảm che khuất kết hợp trong phần 1.8 thì xác suất này có dạng như sau:

1)z(

1.10 Diện tích phủ sóng cell

Diện tích phủ sóng được định nghĩa là phần trăm diện tích trong một cell có công suất thu ở trên một ngưỡng cực tiểu đã cho Xét một trạm cơ sở được đặt bên trong một cell tròn bán kính R Tất cả các máy di động ở trong cell đó yêu cầu một tỷ số tín trên tạp SNR cực tiểu để hiệu năng có thể chấp nhận được Giả sử với một mức ồn vừa phải và với mô hình nhiễu hợp lý thì yêu cầu SNR tịnh tiến đến công suất thu cực tiểu Pmin trong toàn cell Công suất phát ở trạm cơ sở phải được dự tính sao cho công suất trung bình thu được ở đường biên của cell là PR, ở đây giá trị trung bình được tính dựa trên tổn hao đường truyền Tuy nhiên suy giảm che khuất ngẫu nhiên sẽ làm cho một số vùng trong cell có công suất nằm dưới mức PR, và các vùng khác có công suất nhận vượt quá PR Điều này được mô tả trong hình 1.8, ở hình này cho ta thấy đường biên công suất thu không đổi dựa trên công suất phát cố định ở trạm cơ sở cho trường hợp tổn hao đường truyền đơn và cho trường hợp tổn hao đường truyền và suy giảm che khuất kết hợp Đối với tổn hao đường truyền đơn thì đường biên công suất có dạng tròn bao quanh trạm cơ

sở, vì tổn hao đường truyền là giống nhau ở các khoảng cách như nhau so với trạm cơ sở Đối với tổn hao đường truyền và suy giảm che khuất kết hợp thì đường biên có dạng hình amip do sự biến đổi ngẫu nhiên của đường biên được tạo ra bởi suy giảm che khuất Đường biên công suất cho trường hợp tổn hao đường truyền và suy giảm che khuất kết hợp cho thấy trở ngại mà suy giảm che khuất gây ra cho việc thiết kế hệ thống tế bào Cụ thể là không phải tất cả người dùng ở đường biên đều thu được cùng mức công suất như nhau Vì vậy các trạm cơ sở phải phát thêm công suất để đảm bảo cho những người dùng chịu ảnh hưởng của suy giảm che khuất nhận được công suất yêu cầu cực tiểu của chúng, nhưng điều này sẽ gây ra nhiễu đối với các cell ở bên cạnh Nếu không phát thêm thì một

số người dùng khác trong cell không đáp ứng được công suất yêu cầu của chúng Trong thực tế vì phân bố Gauss có phần đuôi vô hạn, vì thế sẽ tồn tại xác suất khác 0, là xác suất

mà bất kỳ máy di động nào trong cell sẽ có mức công suất thu nằm dưới mức quy định, thậm chí ngay cả khi máy di động ở gần trạm cơ sở Điều này có thể cảm nhận bằng trực

giác vì một máy di động có thể ở trong đường hầm hoặc bị cản trở bởi các tòa nhà bất chấp trạm cơ sở ở gần hay ở xa máy di động

Diện tích phủ sóng của cell được định nghĩa là phần trăm diện tích trong cell mà công suất nhận được từ tổn hao đường truyền và suy giảm che khuất thỏa mãn hoặc vượt quá công suất được yêu cầu cực tiểu Pmin Để tính diện tích phủ sóng ta tính diện tích dA

có bán kính r tính từ trạm cơ sở, như được trình bày trong hình 1.8 Đặt Pr là công suất nhận trong diện tích dA và đặt PA = p(Pr(r)>Pmin) thì diện tích phủ sóng nhận được là:

R

1dAAP2

dB

))0d/r10log10K10log10tP(min

PQminP)(R

rlnbarQ2R

dB

RrPP

ab22exp)a(

Q

Nếu công suất nhận cực tiểu bằng công suất trung bình ở đường biên của cell:

)R

1

C (1.49)

Hình 1.8: Đường bao của công suất thu

CHƯƠNG 2: CÁC MÔ HÌNH KÊNH ĐA ĐƯỜNG THỐNG KÊ

Các mô hình tổn hao đường truyền đã được xét trong chương 1 dựa trên các mô hình xác định đối với hiện tượng phản xạ, tán xạ và nhiễu xạ đa đường Bây giờ ta xét các

mô hình fading đa đường không xác định, với kênh được mô tả bởi đáp ứng xung thay đổi ngẫu nhiên theo thời gian Ta sẽ trình bày đặc tính thống kê của mô hình kênh này và mô

tả các tính chất quan trọng của nó

Nếu một xung đơn được truyền qua kênh đa đường thì tín hiệu nhận được là một chuỗi xung, với mỗi xung trong chuỗi xung đó tương ứng với một thành phần đa đường riêng Một đặc tính quan trọng của kênh đa đường là độ trải trễ Độ trải trễ này bằng thời gian trễ giữa thành phần đa đường đến đầu tiên và thành phần đa đường đến cuối cùng tương ứng với xung đơn đã được phát Trải trễ là ngẫu nhiên đối với hầu hết các kênh đa đường thay đổi theo thời gian và vì vậy phải được đặc trưng bằng thống kê Nếu trải trễ là nhỏ so với nghịch đảo của độ rộng băng tín hiệu, thì trải trễ gây ra trong tín hiệu thu được

là nhỏ Tuy nhiên khi trải trễ tương đối lớn thì tín hiệu thu được bị trãi rộng dẫn đến làm cho tín hiệu bị méo

Đặc tính khác của kênh đa đường là sự thay đổi của nó theo thời gian một cách ngẫu nhiên Sự thay đổi này xuất hiện là do bộ phát hoặc bộ thu chuyển động, và bởi vậy

vị trí của các bộ phản xạ sẽ thay đổi theo thời gian Vì vậy nếu lặp lại truyền các xung từ

bộ phát đang chuyển động, thì ta sẽ quan sát thấy sự thay đổi biên độ xung, trễ, và số lượng thành phần đa đường tương ứng với mỗi xung Vì sự thay đổi này phụ thuộc vào môi trường truyền và sự di chuyển của người dùng, nên ta sẽ mô tả đặc tính của sự thay đổi theo thời gian và Doppler kênh kết hợp theo thống kê Các giá trị thống kê này sẽ cho biết sự thay đổi của tín hiệu nhận được theo thời gian

Khởi đầu cho việc mô tả đặc tính của các kênh đa đường thống kê là đáp ứng xung của kênh thay đổi theo thời gian Trong phần tiếp theo ta sẽ định nghĩa đáp ứng xung này, sau đó sử dụng để mô tả các giá trị thống kê biên độ, trải trễ, và Doppler của kênh

2.1 Đáp ứng xung của kênh thay đổi theo thời gian

Cho tín hiệu truyền có dạng như trong chương 1:

 

 u(t) sin(2 fct 0)

)0tcf2cos(

)t(u

)0tcf2(je)t(u)

Tín hiệu nhận được tương ứng là tổng của thành phần LOS và tất cả các thành phần đa đường N(t):

0n

0j))t(nt))(

t(Dnfcf2je))t(nt(u)t(na)t(nG)t(nR

và hệ số suy giảm an(t) Hệ số suy giảm an(t) nhận được từ mô hình tổn hao đường truyền

và mô hình suy giảm che khuất trong chương 1, và dịch tần Doppler fDn(t) = fDcosn(t), ở đây fD = v/c là tỷ số vận tốc trên bước sóng tín hiệu (thường được gọi là dịch tần Doppler: Vận tốc và tần số Doppler là dương khi máy di động chuyển động về phía nguồn) và n(t) là góc tới của thành phần đa đường thứ n ở bộ thu như được mô tả trong hình 2.1 Vì tất cả các thông số này thay đổi theo thời gian, nên chúng được đặc trưng như các quá trình ngẫu nhiên và ta giả thiết là dừng và ergodic Vì vậy tín hiệu nhận được cũng là quá trình ngẫu nhiên dừng và ergodic

Hình 2.1: Góc tới của thành phần đa đường

Ta có thể đơn giản hóa r(t) bằng sự thay thế dưới đây, đặt

)t(na)t(nG)t(

)t(n

je)t(n)

))t(()t(n

je)t(n)

Nn

dtutn

tn

jetn

tcfjet

Nn

dtutn

tn

jetn

tcfjedtutct

r

2)

(0

)())((

)()

(

2)

(0

)())((

)()

(

2)(),()

tn

jetn

2)

(0

))((

)()

đa đường trong tín hiệu thu với bộ ba biên độ, pha, trễ là (i,i,i), i=1,2,3 Vì vậy các xung được đưa vào kênh ở thời điểm t1-i, i=1,2,3 tất cả sẽ nhận được ở thời điểm t1, và tất cả các xung được đưa vào kênh ở các thời điểm khác sẽ không nhận được ở thời điểm

t1 (vì không có thành phần đa đường có trể tương ứng) Đáp ứng xung của kênh thay đổi theo thời gian ở thời điểm t1 là:

)n(n

jen

)1

ứng xung của kênh thay đổi theo thời gian ở thời điểm t2 là:

)

'n(

'n

je

'n

)2

t

,

(

và nó được trình bày trong hình 3.3

Hình 2.2: Hệ thống đa đường ở các thời điểm đo khác nhau

(α1,φ1,τ1) (α0,φ0,τ0)

(α2,φ2,τ2)

Hệ ở thời điểm t1

(α’1 ,φ’1,τ’1) (α’0 ,φ’0,τ’0)

Hệ ở thời điểm t2

Hình 2.3: Đáp ứng của kênh không dừng

Nếu các vật phản xạ tạo ra các thành phần đa đường là liên tục thì tổng trong (2.6) được thay thế bằng tích phân Cũng như vậy nếu kênh là dừng thì c(,t) trở thành một hàm chỉ phụ thuộc vào , vì đáp ứng xung là giống nhau với mọi t Ta biến đổi c(,t) thành một hàm chỉ có  đối với kênh dừng như sau: Vì c(,t) là giống nhau cho mọi t đối với kênh dừng, nên ta đặt t =  Thì c(,t=) = c() là đáp ứng xung của kênh ở thời điểm  đối với một xung bắt đầu ở thời điểm 0 và:

)n(njen

Nếu kênh là không dừng thì đáp ứng xung của kênh đó đối với một xung ở thời điểm t1 chưa hẳn đã là bản sao dịch của đáp ứng xung đối với một xung ở thời điểm t2 

t1, như được trình bày trên hình 2.3

2.2 Các mô hình fading băng hẹp

Giả sử trải trễ đa đường Tm là nhỏ so với nghịch đảo độ rộng băng của tín hiệu Tm

<< B-1, ở đây B là độ rộng băng của tín hiệu băng cơ sở u(t) Bu hoặc độ rộng băng của tín hiệu được điều chế s(t) Bs = 2Bu thì vì i, ut i u(t) i

c(τ,t2) δ(t-τ)

(α0,φ0,τ0) (α1,φ1,τ1) (α2,φ2,τ2)