Giải pháp thiết kế nâng cao vùng phủ sóng thông tin di động bên trong toàn nhà cao tầng

Phân bố xếp chồng của sự thay đổi quy mô lớn của tín hiệu tại tần số 900 MHz trong một tòa nhà khi không tồn tại đường truyền LOS: ____ kết quả đo được, --- tuân theo phân bố loga chuẩn

Trang 1

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Trang 2

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

VŨ TUẤN NAM

GIẢI PHÁP THIẾT KẾ NÂNG CAO VÙNG PHỦ SÓNG THÔNG TIN DI ĐỘNG BÊN TRONG TÒA NHÀ CAO TẦNG

LUẬN VĂN THẠC SỸ

Ngành: Điện tử - Viễn thông

Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử

Mã số: 60 52 70

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS NGUYỄN KIM GIAO

Hà Nội - 2011

Trang 3

MỤC LỤC

Các hình vẽ sử dụng trong đồ án 5

Các từ viết tắt sử dụng trong đồ án 7

MỞ ĐẦU 1

Chương 1 3

CƠ SỞ LÝ THUYẾT 3

1.1 Mô hình truyền sóng bên ngoài tòa nhà 3

1.1.1 Truyền sóng trong không gian tự do 3

1.1.2 Nguyên lý Huyghen và miền Fresnel 5

1.1.3 Các mô hình truyền sóng bên ngoài tòa nhà 7

1.1.3.1 Mô hình Okumura 7

1.1.3.2 Mô hình Hata 8

1.1.3.3 Mô hình Walfish 10

1.2 Mô hình truyền sóng trong tòa nhà 12

1.2.1 Giai đoạn 1: Truyền sóng từ bên ngoài vào bên trong tòa nhà 13

1.2.2 Giai đoạn 2: Truyền sóng bên trong tòa nhà 21

1.2.2.1 Đặc tính truyền sóng 22

1.2.2.2 Mô hình truyền sóng trong tòa nhà của Rappaport 23

1.2.2.3 Mô hình truyền sóng trong tòa nhà của Keenan và Motley 34

Chương 2 39

HỆ THỐNG PHỦ SÓNG DI ĐỘNG TRONG CÁC TÒA NHÀ CAO TẦNG 39

2.1 Khái niệm về hệ thống phủ sóng di động trong tòa nhà 39

2.1.1 Lý do để cải thiện chất lượng sóng di động trong nhà 39

2.1.2 Hệ thống phủ sóng trong tòa nhà 40

2.1.3 Lợi ích khi sử dụng hệ thống 40

2.2 Cấu trúc hệ thống phủ sóng di động trong tòa nhà 41

2.2.1 Nguồn tín hiệu 42

2.2.1.1 Nguồn tín hiệu bằng trạm outdoor 42

2.2.1.2 Nguồn tín hiệu bằng trạm indoor dành riêng 43

2.2.2 Hệ thống phân phối tín hiệu 44

2.2.2.1 Hệ thống thụ động 44

2.2.2.2 Hệ thống chủ động 45

2.2.2.3 Hệ thống lai ghép 46

2.2.3 Phần tử bức xạ 47

2.2.3.1 Anten 47

Trang 4

2.2.3.2 Cáp rò 50

2.3 Thiết bị đo truyền lan RF dùng trong khảo sát 50

2.4 Các tham số về trạm BTS cần quan tâm 51

2.5 Các thông số cần thiết cho thiết kế hệ thống 52

2.6 Tính toán quỹ đường truyền 53

2.7 Tính toán dung lượng 55

2.8 Công cụ thiết kế 57

Chương 3 60

THIẾT KẾ HỆ THỐNG INBUILDING CHO TÒA NHÀ BITEXCO FINANCIAL TOWER 60

3.1 Khảo sát 60

3.1.1 Khảo sát tòa nhà 60

3.1.2 Khảo sát tình trạng phủ sóng 64

3.1.3 Đo mức thu RxLevel 65

3.1.4 Đo mức chất lượng thu RxQual 66

3.2 Yêu cầu thiết kế hệ thống Inbuilding 66

3.2.1 Chỉ tiêu kỹ thuật của nhà mạng di động 66

3.2.2 Yêu cầu của chủ tòa nhà đối với hệ thống Inbuilding 66

3.2.3 Các điều kiện đầu vào 67

3.3 Giải pháp thiết kế đề xuất 67

3.3.1 Phương án phủ sóng cho mặt bằng tầng điển hình 68

3.3.2 Phương án phủ sóng cho thang máy 71

3.3.3 Tính toán dung lượng và cấu hình BTS tương ứng 71

3.3.4 Tính toán quỹ đường truyền (Link Budget) 73

3.3.5 Sơ đồ bố trí anten và mô phỏng vùng phủ sóng từng tầng 75

3.3.6 Sơ đồ nguyên lý hệ thống Inbuilding 83

3.3.7 Sơ đồ bố trí thiết bị phòng máy 85

3.3.8 Khả năng nâng cấp mở rộng hệ thống 85

3.3.8.1 Khả năng nâng cấp lên 3G/4G 85

3.3.8.2 Tích hợp mạng không dây WLAN 86

3.3.9 Danh mục vật tư tổng hợp 87

3.4 Phương án triển khai thi công hệ thống 88

3.5 Hòa mạng phát sóng, đưa hệ thống vào hoạt động 89

3.6 Đo kiểm tối ưu 90

3.6.1 Đi kiểm tra (Walking Test) 90

3.6.2 So sánh kết quả đo thực tế và tính toán lý thuyết 91

Trang 5

3.6.3 Tối ưu 91

3.7 Nghiệm thu bàn giao 92

KẾT LUẬN 94

TÀI LIỆU THAM KHẢO 96

PHỤ LỤC A 1

BẢNG ERLANG B 1

PHỤ LỤC B 3

BẢNG KẾT QUẢ ĐO NGHIỆM THU VINAPHONE 2G 3

PHỤ LỤC C 12

THÔNG SỐ KỸ THUẬT THIẾT BỊ 12

Trang 6

Các hình vẽ sử dụng trong đồ án

Hình 1.1 Miền Fresnel thứ nhất [6] 6

Hình 1.2 Cấu trúc cell [6] 7

Hình 1.3 Phân bố xếp chồng của sự thay đổi quy mô lớn của tín hiệu tại tần số 900 MHz trong một tòa nhà khi không tồn tại đường truyền LOS: ( ) kết quả đo được, ( -) tuân theo phân bố loga chuẩn với độ lệch chuẩn 4 dB .18

Hình 1.4 Suy hao thâm nhập vào tòa nhà là một hàm của chiều cao tòa nhà: x là các điểm thực nghiệm 19

Hình 1.5 Đồ thị suy hao đường truyền là một hàm của khoảng cách tại tòa nhà công sở 1 29

Hình 1.6 Đồ thị suy hao đường truyền là một hàm của khoảng cách tại tòa nhà công sở 2 29

Hình 1.7 Tổn hao tầng theo mô hình Keenan – Motley 37

Hình 1.8 So sánh tổn hao tường theo mô hình Keenan – Motley với tổn hao trong không gian tự do và công thức xấp xỉ .37

Hình 2.1 Mô hình một hệ thống phủ sóng inbuilding 41

Hình 2.2 Thành phần chính của một hệ thống phủ sóng trong nhà 41

Hình 2.3 Vùng phủ cho tòa nhà từ một tế bào macro trong trạm BTS outdoor macro 43

Hình 2.4 Vùng phủ cho tòa nhà được cung cấp bởi trạm indoor dành riêng .43

Hình 2.5 Giải pháp hệ thống anten phân phối thụ động 45

Hình 2.6 Sơ đồ một hệ thống anten phân phối chủ động cho khu trường sở .45

Hình 2.7 Sơ đồ một hệ thống anten phân phối chủ động cho một tòa nhà cao tầng .46

Hình 2.8 Sơ đồ hệ thống lai ghép 46

Hình 2.9 Anten omni được sử dụng trong tòa nhà cao tầng 48

Hình 2.10 Đồ thị phương hướng của một anten omni 4dBi 48

Hình 2.11 Anten định hướng sử dụng trong thang máy .49

Hình 2.12 Đồ thị phương hướng của anten panel 8dBi 49

Hình 2.13 Hệ thống phân phối cáp rò 50

Hình 2.14 Sơ đồ một hệ thống phân phối anten thụ động đơn giản .54

Hình 2.15 Giao diện phần mềm thiết kế Inbuilding iBwave RF-vu V2.1 57

Hình 2.17 Thiết lập tham số mô phỏng vùng phủ trong RF-vu V2.1 59

Hình 3.1 Tòa nhà Bitexco Financial Tower .62

Hình 3.2 Thiết bị dùng trong khảo sát tình trạng sóng 64

Hình 3.3 Bản đồ mô tả tuyến đi đo kiểm mức thu Rxlevel tại tầng điển hình 65

Hình 3.4 Bộ kết hợp đa băng tần - POI 68

Hình 3.5 Sơ đồ bố trí anten và tuyến đi cáp mặt bằng tầng điển hình 69

Hình 3.6 Tính toán công suất phân bổ cho nhánh anten tầng điển hình 70

Hình 3.7 Sơ đồ bố trí anten và mô phỏng vùng phủ tầng hầm 3 75

Hình 3.10 Sơ đồ bố trí anten và mô phỏng vùng phủ tầng trệt 1 77

Hình 3.11 Sơ đồ bố trí anten và mô phỏng vùng phủ tầng trệt 2 77

Hình 3.12 Sơ đồ bố trí anten và mô phỏng vùng phủ tầng 3 78

Hình 3.13 Sơ đồ bố trí anten và mô phỏng vùng phủ tầng 4-5 78

Hình 3.18 Sơ đồ bố trí anten và mô phỏng vùng phủ tầng kỹ thuật 81

Trang 7

Hình 3.22 Sơ đồ nguyên lý hệ thống Inbuilding – Tòa nhà Bitexco Financial Tower 84

Hình 3.23 Minh họa phòng máy Inbuilding điển hình 85

Hình 3.24 Tích hợp Wifi vào hệ thống DAS sẵn có 86

Hình 3.25 Minh họa lắp đặt anten Omni 88

Hình 3.26 Kết quả đo hệ số phản xạ sóng đứng anten A3-F8 89

Hình 3.27 Kết quả đo walking test bằng máy TEMS sau khi phát sóng Inbuiding 91

Trang 8

Danh sách các bảng biểu

Bảng 1.1 Suy hao thâm nhập trung bình tại các tầng khác nhau của một tòa nhà 6 tầng 18

Bảng 1.2 Số mũ n và độ lệch sử dụng cho mô hình suy hao đường truyền phụ thuộc khoảng cách đo tại tần số sóng mang 914MHz 27

Bảng 1.3 Số mũ và độ lệch chuẩn cho suy hao đường truyền được đo cho các tòa nhà khác nhau 28

Bảng 1.4 Hệ số suy giảm theo tầng trung bình (dB) cho một, hai, ba, và bốn tầng giữa máy phát và máy thu trong hai tòa nhà công sở; cùng với độ lêch tiêu chuẩn (dB) và số vị trí được sử dụng để tính toán thống kê 30

Bảng 1.5 Báo cáo đo đạc suy hao tín hiệu trung bình thực hiện bởi rất nhiều nhà nghiên về các đường truyền vô tuyến bị che khuất bởi vật liệu xây dựng nói chung 32

Bảng 1.6 Các tham số truyền dẫn trong các tòa nhà 35

Bảng 2.1 Bảng Erlang B với GoS 2 % tương ứng với số kênh TCH 56

Bảng 3.1 Thống kê diện tích các tầng của tòa nhà Bitexco Financial Tower 63

Bảng 3.2 Bảng giá trị suy hao, tăng ích các thiết bị và vật liệu 71

Bảng 3.3 Bảng tính quỹ đường truyền trên phần mềm Excel 74

Bảng 3.4 Bảng tổng hợp danh mục vật tư hệ thống DAS – Bitexco Financial Tower 87

Bảng 3.5 Bảng so sánh kết quả đo thực tế và tính toán thiết kế 92

Các từ viết tắt sử dụng trong đồ án

Trang 9

STT Từ viết tắt Tên tiếng anh

2 BSC Base station controller

3 BTS Base transceiver station

4 CCTV Closed Circuit Television

7 EDGE Enhance Datarate for GSM Evolution

8 EIRP Effective Isotropic Radiated Power

10 FAF Floor Attenuation Factor

11 GPRS General Packet Radio Services

12 GSM Global System for Mobile communications

13 IOI Interference on Idle Mode

18 Non-LOS None Line of Sight

20 OMC Operations and Maintenance Center

21 PCN Personal Communications Network

22 PCS Personal Communications System

23 RAU Remote bi-direction Antenna Unit

24 RSCP Received signal code power

Trang 10

MỞ ĐẦU

***

Để mở rộng thị phần, giữ thuê bao và khuếch trương thương hiệu, ngoài việccạnh tranh về giá cả, dịch vụ giá trị gia tăng, chăm sóc khách hàng các nhà cung cấpdịch vụ di động cũng không ngừng tập trung phát triển mạng lưới để có vùng phủrộng, phủ sâu, chất lượng phủ sóng tốt Tuy nhiên, ngay cả đối với các nhà mạng diđộng đã phủ sóng khắp các tỉnh thành có một vấn đề đang rất được quan tâm là tại một

số thành phố lớn như Hà Nội, TP Hồ Chí Minh…chất lượng phủ sóng trong các toànhà, đặc biệt là các toà nhà cao tầng của khách sạn, văn phòng, trung tâm thươngmại…chưa được đảm bảo Tại các tầng thấp thường có tình trạng sóng yếu, chập chờn,

ở các tầng cao thì nhiễu dẫn đến khó thực hiện và rớt cuộc gọi Nguyên nhân chính củatình trạng này là do tín hiệu di động của trạm phát sóng ngoài trời bị suy hao rất lớnkhi thâm nhập vào tòa nhà qua các vật cản trở sóng như cửa kính, vách ngăn, tường

và nhiều khi là do chiều cao của tòa nhà vượt quá vùng phục vụ của trạm phát sóngngoài trời Một trong các giải pháp hữu hiệu nhằm khắc phục hiện tượng trên và đảmbảo chất lượng dịch vụ cho thuê bao di động là giải pháp phủ sóng di động bên trongtòa nhà (Inbuilding)

Cùng với sự phát triển kinh tế, tốc độ đô thị hóa cao diễn ra tại các thành phốlớn, các tòa nhà cao ốc mọc lên ngày càng nhiều Nhu cầu sử dụng các dịch vụ di độngbên trong các tòa nhà này là rất lớn Theo thống kê tại các thành phố lớn trên thế giới,

số lượng cuộc gọi phát sinh bên trong tòa nhà chiếm tới 60-70% tổng lưu lượng mạng.Yêu cầu phải có hệ thống Inbuilding phục vụ các tòa nhà cao ốc trở thành tất yếu Tuynhiên các nhà mạng thì mong muốn giảm chi phí đầu tư cơ sở hạ tầng, người dùng thìmong muốn được hưởng nhiều loại hình dịch vụ di động với chất lượng cao Dẫn đếnphải xây dựng giải pháp Inbuilding mang tính tích hợp đa dịch vụ (GSM, WCDMA,CDMA, Wifi ), đáp ứng nâng cấp công nghệ mới (LTE, Wimax ) và cho phép nhiềunhà khai thác dịch vụ cùng chia sẻ chung một hệ thống Inbuilding duy nhất Hơn nữa,mỗi tòa nhà cao ốc lại có cấu trúc, công năng, vị trí khác nhau nên cần phải có giảipháp thiết kế hệ thống Inbuilding riêng phù hợp cho từng tòa nhà Đây chính là tiền đề

để em bắt tay vào tìm hiểu, nghiên cứu và thực hiện đề tài “Giải pháp thiết kế nâng

Trang 11

cao vùng phủ sóng thông tin di động bên trong tòa nhà cao tầng” cùng với sự

hướng dẫn trực tiếp của PGS.TS Nguyễn Kim Giao Kết quả của đề tài này đã đượcvận dụng thực tế thành công tại tòa tháp cao nhất Việt Nam, Bitexco Financial Tower,

45 Ngô Đức Kế, Quận 1, Tp Hồ Chí Minh

Nội dung chính được trình bày trong các chương như sau:

 Chương 1: Trình bày tổng quan về các mô hình truyền sóng bên ngoài và bêntrong tòa nhà

 Chương 2: Trình bày về cấu trúc của hệ thống phủ sóng di động cho tòa nhà,các công thức tổng quát về tính toán quỹ đường truyền và công cụ phần mềmthiết kế Inbuilding RF-vu 2.1

 Chương 3: Vận dụng lý thuyết và công cụ phần mềm vào tính toán, thiết kế và

mô phỏng hệ thống Inbuilding cho tòa tháp Bitexco Financial Tower

Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới PGS.TS Nguyễn Kim Giao đã tận tình hướngdẫn và giúp đỡ em hoàn thành luận văn tốt nghiệp này

Hà Nội, ngày 12 tháng 09 năm 2011

Học viên thực hiện

Vũ Tuấn Nam

Trang 12

Chương 1

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Trong hệ thống phủ sóng di động cho tòa nhà thì tín hiệu sau khi từ nguồn tínhiệu đi qua hệ thống phân phối tín hiệu đến phần tử bức xạ và phát ra không gian sẽchịu thêm một lượng suy hao phụ thuộc vào số tầng cũng như số bức tường mà sóngtrực tiếp truyền qua rồi mới đến được thiết bị đầu cuối của thuê bao di động Để dựđoán được những suy hao này nhà thiết kế sẽ sử dụng mô hình truyền sóng trong nhà

từ đó tính toán ra quỹ đường truyền yêu cầu tương ứng Trong chương này, chúng ta sẽ

đi sâu nghiên cứu các mô hình truyền sóng được áp dụng vào tính toán suy hao và quỹđường truyền trong các tòa nhà cao ốc

1.1 Mô hình truyền sóng bên ngoài tòa nhà

1.1.1 Truyền sóng trong không gian tự do

Mô hình truyền sóng trong không gian tự do được sử dụng để dự đoán cường

độ tín hiệu thu được khi giữa bộ thu và bộ phát không có vật cản và đường truyền LOS[7] Các hệ thống thông tin vệ tinh và đường truyền sóng vô tuyến cực ngắn được coi

là truyền trong không gian tự do Như với hầu hết các mô hình truyền sóng vô tuyếndải rộng, mô hình không gian tự do dự đoán suy hao công suất thu như một hàm củakhoảng cách T-R Công suất trong không gian tự do nhận được bởi anten thu đặt cách

anten phát một khoảng cách d, được cho bởi phương trình Friis.

Trang 13

• L là hệ số suy hao hệ thống (L≥1), là bước song tính theo m.

• Tăng ích của anten liên quan tới diện tích hiệu dụng của nó, Ae, thôngqua phương trình:

• Diện tích hiệu dụng anten Aephụ thuộc vào kích thước vật lý của anten,

Trên thực tế công suất bức xạ hiệu dụng (ERP) được sử dụng thay thế cho EIRP

để biểu thị công suất bức xạ cực đại khi được xem xét như là anten lưỡng cực nửabước sóng (thay cho một anten đẳng hướng)

Suy hao đường truyền, biểu diễn suy giảm tín hiệu, tính bằng dB, được xác địnhbằng sự chênh lệch (theo dB) giữa công suất phát và thu hiệu dụng, và có thể có hoặckhông bao hàm độ tăng ích của anten Suy hao đường truyền trong không gian tự dokhi bao hàm cả tăng ích anten được tính bởi:

Khi không bao hàm tăng ích anten (coi bằng 1), suy hao đường truyền đượctính như sau:

Trang 14

1.1.2 Nguyên lý Huyghen và miền Fresnel

Hệ thống vô tuyến di động mặt đất đang được sử dụng một cách rộng rãi Vềmột mặt nào đó, các dịch vụ kiểm soát và cấp cứu nội hạt vận hành trên một vùng khárộng sử dụng các tần số thấp của dải VHF Các vùng dịch vụ có thể mở rộng đủ để cầnđến vài trạm phát, hoạt động ở chế độ cận đồng bộ, và bao gồm cả vùng nông thôn,ngoại ô và thành phố Nhưng mặt khác, ở các thành phố lớn, các cell riêng lẻ nằmtrong cùng một hệ thống điện thoại vô tuyến tế bào 900 hoặc 1800 MHz có thể có kíchthước rất nhỏ, với đường kính có thể dưới 1km, và cung cấp dịch vụ cho cả các hệthống phương tiện định vị và các thiết bị cầm tay có thể đem vào trong các tòa nhà Rõràng việc xác định vùng phủ sóng của bất kì một trạm phát gốc nào là một vấn đề kháphức tạp bao hàm cả các kiến thức về tần số hoạt động, địa hình, mức độ đô thị hóa, độcao của anten và một vài yếu tố khác

Ngoài ra, khi di động di chuyển bên trong hay giữa các tòa nhà, các tòa nhà trởthành những vật cản ngẫu nhiên, và rất khó để xác định và phân tích một cách chínhxác trừ khi có cơ sở dữ liệu về môi trường truyền sóng và cập nhật về địa hình mộtcách chính xác Tổng hợp hình ảnh vệ tinh và các công nghệ tương tự như vậy đã giúpích trong việc tạo ra các cơ sở dữ liệu và được sử dụng cho các phương pháp dự đoánnhư “dò theo tia sóng”

Trong thực tế, các kênh vô tuyến di động có vị trí không thích hợp nhất trongthông tin vô tuyến mặt đất Suy hao đường truyền thường vượt quá suy hao trongkhông gian tự do hay trong địa hình bằng phẳng khoảng vài chục dB; độ biến thiên cao

và dao động ngẫu nhiên khi bộ thu di chuyển qua các địa hình không bằng phẳng

Trang 15

và/hoặc giữa các tòa nhà Các kênh cũng hay bị lỗi bởi nhiễu của môi trường xungquanh gây nên bởi các loại thiết bị điện; nhiễu này là xung nhiễu và thường do conngười tạo ra Hiện nay có một vài phương pháp nghiên cứu cường độ tín hiệu trungbình trong một vùng địa lý tương đối nhỏ cho trước Một vài trong số đó có thể ápdụng trên các địa hình không bằng phẳng, một vài áp dụng được trong các vùng địa lý

có nhiều nhà cửa,…Các phương trình truyền sóng trong không gian tự do và địa hìnhbằng phẳng được sử dụng như cơ sở cho các phương pháp này Đầu tiên, chúng ta sẽnói về các nguyên lý và các phương pháp phân tích làm nền tảng cho rất nhiều cácphương pháp dự đoán

Nguyên lý Huyghen cho biết rằng mỗi điểm của mặt sóng gây bởi một nguồnbức xạ sơ cấp có thể được coi như nguồn của một sóng thứ cấp mới Vì vậy, nguyên lýnày cho phép ta có thể tính toán trường tại một điểm bất kỳ trong không gian khi đãbiết được trường ở trên một bề mặt cầu nào đó

Dựa trên nguyên lý Huyghen, ta có thể xác định khu vực không gian có thamgia vào quá trình truyền sóng

Trong các miền Fresnel, ta chỉ quan tâm đến miền Fresnel thứ nhất vì đây làmiền tập trung hầu hết năng lượng trường điện từ nên là miền chủ yếu tham gia vàoquá trình truyền sóng Bán kính miền Fresnel thứ nhất được xác định khi n=1

Hình 1.1 Miền Fresnel thứ nhất [6]

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

Trang 16

hình chuẩn này và cố gắng tìm ra một cách tiếp cận tới một giá trị suy hao dự đoánchính xác hơn.

Dựa vào miền Fresnel thứ nhất người ta đưa ra một số mô hình truyền sóng ápdụng cho các địa hình không bằng phẳng hay các địa hình có nhiều nhà cửa: mô hìnhOkumura, mô hình Hata, mô hình Walfish…

1.1.3 Các mô hình truyền sóng bên ngoài tòa nhà

Hình 1.2 Cấu trúc cell [6]

1.1.3.1 Mô hình Okumura

Mô hình Okumura [7] là một trong những mô hình dự báo tín hiệu trong khuvực đô thị được sử dụng rông rãi nhất Mô hình này áp dụng cho tần số trong dải 150MHz đến 1920MHz (mặc dù có thể đạt tới 3000MHz) và khoảng cách là từ 1km đến100km Nó có thể được sử dụng cho các trạm anten gốc với chiều cao từ 30m đến1000m

Trong các bản báo cáo của Okumura có chứa một tập các đường cong được xâydựng từ rất nhiều các phép đo thực hiện từ năm 1962 đến 1965 Mục đích của nó làmiêu tả sự suy hao và sự thay đổi cường độ trường điện từ theo sự thay đổi của địahình

Trang 17

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 nhưsau:

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

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

Trong một khu đô thị trên một vùng gần như bằng phẳng với một trạm gốcchiều cao hiệu dụng (hte) khoảng 200m và chiều cao của một anten MS (hre) khoảng3m Công thức Okumura:

Trong đó:

: là hệ số suy hao dự đoán Okumura

: suy hao lan truyền trong không gian tự do

1.1.3.2 Mô hình Hata

Mô hình Hata [7] xây dựng trên kinh nghiệm, đúc rút từ mô hình Okumura Môhình Hata chuyển đổi các thông tin về suy hao đường truyền có tính hình học của môhình Okumura sang công thức toán học

Trang 18

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

Các điều kiện ràng buộc của mô hình Hata:

 Dải tần làm việc f : 150 đến 1500MHz

 Chiều cao của anten BTS hB: 30 đến 200m

 Chiều cao của anten MS hm: 1 đến 10m

 Khoảng cách giữa BTS và MS R : 1 đến 20 km

Công thức Hata tính suy hao đường truyền trung bình cho khu vực đô thị:

Với a(hm) là hệ số hiệu chỉnh của chiều cao hiệu dụng của anten MS

• Đối với khu vực thành phố vừa và nhỏ:

• Đối với khu vực thành phố lớn:

( ) = 3.2( 11.75 ) − 4.97 ( ) ớ ≥ 300 (1.10b)

Đối với khu vực ngoại ô:

Đối với khu vực nông thôn:

Trang 19

Mô hình Hata gần giống với mô hình Okumura khi khoảng cách R lớn hơn1km Mô hình này rất phù hợp cho cá hệ thống di động tế bào lớn, nhưng lại khôngphù hợp với hệ thống truyền thông cá nhân (PCS) vì có bán kính cell khoảng 1km.

1.1.3.3 Mô hình Walfish

Các mô hình truyền sóng mà chúng ta đã đề cập ở phần trước chỉ được áp dụngcho đường truyền sóng trực tiếp từ BTS đến MS Những mô hình cổ điển này đượcứng 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 [7] ước lượng suy hao đường truyền trongmôi trường đô thị, với dải tần làm việc từ 800 đến 2000MHz Mô hình này được ápdụng cho cả đường truyền thẳng LOS và đường truyền gián tiếp Non-LOS

Đối với đường truyền LOS, phương trình suy hao có dạng giống như suy haotrong không gian tự do

Đối với đường truyền Non-LOS, mô hình sẽ được bổ sung thêm 2 điều kiện vềsuy hao Điều kiện thứ nhất là suy hao nhiều bề mặt, nguyên nhân gây ra bởi tín hiệulan truyền từ BTS qua các mái nhà Điều kiện thứ hai gây ra bởi suy hao khúc xạ vàtán xạ tại mái, cạnh tòa nhà, góc phố nơi máy mobile đang ở đó

Có 3 thành phần suy hao cần quan tâm đối với đường truyền Non-LOS:

 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 khuvực 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

Trang 20

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

 Chiều cao của tòa nhà hr (m)

 ∆hm= hr– hm;∆hb = hb- hr

 Góc tới tạo với chiều của đường phốϕ(độ)

Các công thức tính suy hao chính:

 Suy hao trong không gian tự do:

 Suy hao khúc xạ và tán xạ:

 Suy hao đa bề mặt:

Các tham số phụ trong mô hình :

ka là độ tăng suy hao đường truyền khi anten BS thấp hơn độ cao tòa nhà

Trang 21

1.2 Mô hình truyền sóng trong tòa nhà

Phần trước ta đã trình bày về các mô hình truyền sóng trong không gian tự do.Tuy nhiên, ta không thể áp dụng các mô hình truyền sóng trong không gian tự do đểtính toán suy hao sóng trong môi trường là các nhà cao tầng do môi trường trong nhàkhác với môi trường tự do ở những điểm sau:

Trang 22

 Phụ thuộc vào từng loại tòa nhà

 Trễ lan truyền

 Lan truyền giữa các tầng

 Tín hiệu xâm nhập từ ngoài vào trong tòa nhà

Chúng ta thấy môi trường bên trong tòa nhà rất phức tạp Nó phụ thuộc vàothiết kế của tòa nhà và cách bố trí các đồ vật trong nhà Do vậy ta không thể xây dựngmột công thức chính xác để tính toán suy hao truyền sóng trong nhà

Ta chia quá trình truyến sóng trong nhà thành 2 giai đoạn:

 Truyền sóng từ bên ngoài vào bên trong tòa nhà

 Truyền sóng bên trong tòa nhà

1.2.1 Giai đoạn 1: Truyền sóng từ bên ngoài vào bên trong tòa nhà

Trong những năm gần đây việc sử dụng các thiết bị di động cầm tay gia tăngmột cách rõ rệt, ví dụ như các thiết bị thu phát được mang theo bên người hơn là đượccài đặt trong một phương tiện nào đó Các thiết bị như vậy được sử dụng rất nhiềutrong các hệ thống vô tuyến cá nhân và vô tuyến tế bào và hiện nay đang hoàn toànthống trị thị trường Điều này là cần thiết cho các kỹ sư vô tuyến lập kế hoạch các hệthống cần thiết xoay quanh vấn đề này, và kiến thức về suy hao đường truyền giữa cáctrạm gốc và các máy thu phát bên trong tòa nhà là một yếu tố quan trọng cần đượcđánh giá

Độ mạnh của tín hiệu nhận được bên trong tòa nhà do một trạm phát bên ngoàitruyền vào là vấn đề quan trọng cho các hệ thống không dây cùng chia sẻ tân số vớicác tòa nhà lân cận hoặc với các hệ thống outdoor khác Việc xác định một mô hìnhchính xác cho việc tính toán truyền sóng vào bên trong tòa nhà là rất khó khăn Tuynhiên vẫn có những tổng quát hóa nhất định Kết luận từ những báo cáo cho thấy độmạnh của tín hiệu thu trong tòa nhà tăng theo độ cao Tại những tầng thấp hơn trongtòa nhà, tắc nghẽn đô thị làm tăng suy hao và giảm mức thâm nhập vào tòa nhà Ở cáctầng cao hơn, đường truyền LOS có thể tồn tại, do đó gây ra tín hiệu tới mạnh hơn ởbên ngoài bức tường của tòa nhà

Trang 23

Mô hình sóng vô tuyến thâm nhập vào tòa nhà khác với đa số các trường hợptruyền dẫn thông thường ở một vài khía cạnh Trong trường hợp cụ thể:

• Vấn đề là không gian 3 chiều thực sự vì tại một khoảng cách cố định từ trạmphát gốc, thiết bị di động có thể nằm tại chiều cao nào đó phụ thuộc vàotầng của tòa nhà mà nó định vị Trong môi trường đô thị có thể có đườngtruyền LOS tới những tầng cao hơn của nhiều tòa nhà, nhưng điều này lại rấthiếm xảy ra trên các tuyến phố của thành phố

• Môi trường bên trong tòa nhà có rất nhiều vật cản Chúng được cấu thànhbởi rất nhiều vật liệu, nằm rất gần với các thiết bị di động, trạng thái và sốlượng của chúng có thể thay đổi trong khoảng cách khá ngắn

Đã có một vài nghiên cứu về sự thâm nhập của sóng vô tuyến vào bên trong cáctòa nhà, đa phần là nằm trong dải tần được sử dụng trong các hệ thống tế bào

Các nghiên cứu có thể dược chia thành 2 loại chính:

• Chiều cao của anten trạm gốc trong khoảng 3.0 – 9.0 m và các thiết bị diđộng hoạt động chính trong các khu nhà ngoại ô một hoặc 2 tầng

thống tế bào và các thiết bị di động hoạt động trong các tòa nhà công sởnhiều tầng

Các nghiên cứu cho loại thứ nhất đều bắt nguồn hệ thống điện thoại vô tuyếncầm tay phổ thông Bởi hệ thống này phục vụ cho một số lượng lớn các thiết bị cầmtay công suất thấp, có kích thước cell rất nhỏ (bán kính <1.0 km) Ngoài ra, trong hệthống này, việc phủ sóng cho một tòa nhà cao tầng được thực hiện thông qua rất nhiềucell nhỏ nằm trong tòa nhà Đó là lý do tại sao các nghiên cứu lại sử dụng chiều caocủa anten trạm gốc thấp, khoảng cách từ BTS đến MS nhỏ hơn 1km, và các phép đođược tiến hành trong các ngôi nhà vùng ngoại ô

Trong các hệ thống tế bào đang tồn tại, các trạm gốc cho các macrocell là loạiđược đặt tại nóc của các tòa nhà cao khoảng 100 m hoặc hơn trong địa hình khảo sát,

và khoảng cách BTS và MS là 1 km hoặc hơn Do đó, rất khó để sử dụng các kết quảkhảo sát của loại thứ nhất vào thiết kế các hệ thống thế hệ hiện nay Tuy nhiên, các

Trang 24

nghiên cứu cũng chỉ ra rằng tín hiệu trong các khu vực nhỏ trong các tòa nhà xấp xỉphân bố Rayleigh với phân bố trung bình gần đạt tới phân bố loga chuẩn Nói cáchkhác, hàm thống kê tín hiệu trong một tòa nhà có thể được mô hình như sự xếp chồngcủa các tiến trình quy mô lớn (Rayleigh) và quy mô nhỏ (loga chuẩn) – mô hình được

sử dụng cho truyền dẫn vô tuyến bên ngoài tòa nhà trong khu đô thị Mức tín hiệu thayđổi theo chiều cao của anten và chịu ảnh hưởng của phản xạ từ mặt đất

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

S là hằng số: S = 32.0 tại tần số 900MHz, S = 38.0 tại tần số 1800MHz

d là khoảng cách giữa máy phát và máy thu

Các thử nghiệm được tiến hành sử dụng một máy thu cố định và máy phát cầmtay có thể di chuyển khắp mọi vị trí trong tòa nhà Giá trị của n sẽ là 4.5, 3.9, 3.0 và2.5 cho các phép đo tương ứng bên ngoài tòa nhà, tại tầng 1, tầng 2 và trong tầng hầm

Trong khi đó, các nghiên cứu loại thứ 2 lại liên quan đến đặc tính thống kê (sốtrung bình hay giá trị trung bình, phương sai và CPD) của “suy hao trong nhà”, thuậtngữ đầu tiên được giới thiệu bởi Rice, để chỉ ra sự khác biệt giữa mức tín hiệu trungbình tại một tầng cho trước của tòa nhà và mức tín hiệu trung bình bên ngoài tòa nhà,trên các tuyến phố sát ngay tòa nhà Có hai khả năng có thể xảy ra, hoặc là ta có thểthực hiện các phép đo trên các tuyến phố nằm xung quanh tòa nhà để tìm được mức tínhiệu trung bình bên ngoài tòa nhà, như Rice đã đưa ra, hoặc là ta có thể lấy kết quả củaphép đo tức thời tại điểm nào đó bên ngoài tòa nhà trên đường thẳng nối từ trung tâmtòa nhà đến vị trí máy phát

Phương pháp thứ 2 có ưu điểm khi một đường truyền LOS tồn tại giữa trạmphát và tòa nhà, nhưng nhìn chung trường hợp này rất ít khi xảy ra, và năng lượng tínhiệu đi vào tòa nhà phải qua một số đường truyền tán xạ, bởi vậy phương pháp thứnhất có tính thực tế hơn Phương pháp phân tích số liệu cũng rất khác nhau, mặc dùtrong hầu hết các nghiên cứu tín hiệu được lấy mẫu tại các khoảng thời gian haykhoảng cách cố định Nói chung các phương pháp phân tích số liệu khác nhau không

có ảnh hưởng đáng kể đến giá trị suy hao trung bình thâm nhập vào tòa nhà, nhưng

Trang 25

việc tính toán sự thay đổi của tín hiệu có thể bị ảnh hưởng phụ thuộc vào việc điều này

có được xét tới trong thuật ngữ về độ lệch chuẩn hay hàm phân bố thống kê haykhông

Vì nhưng nguyên nhân này, đôi khi chúng ta rất khó so sánh các kết quả từ cácnghiên cứu khác nhau Suy hao thâm nhập phụ thuộc vào nhiều yếu tố, nhưng chủ yếuphụ thuộc vào tần số sóng mang, điều kiện lan truyền và chiều cao của máy thu bêntrong tòa nhà Tuy nhiên, một số yếu tố khác cũng có ảnh hưởng tới suy hao nhưhướng của tòa nhà so với trạm gốc, cấu trúc tòa nhà (vật liệu xây dựng, số lượng vàkích thước cửa sổ) và cách bố trí vật dụng trong tòa nhà Đa số các mô hình để dựđoán cường độ tín hiệu trong tòa nhà đều sử dụng phương pháp kỹ thuật được đưa rabởi Rice, cụ thể, đầu tiên là dự đoán mức tín hiệu trung bình trên các con phố nằmxung quanh tòa nhà sử dụng một trong những phương pháp đã biết sau đó cộng thêmphần suy hao thâm nhập vào trong tòa nhà

Một nghiên cứu của Barry và Williamson tại New Zealand đã tập trung chủ yếuvào các tòa nhà nơi có phần lớn các tầng có đường truyền LOS tới trạm phát gốc.Nghiên cứu này sử dụng tiêu chuẩn giống như trong môi trường giao thông, tín hiệu tạibất kì tầng nào đều phù hợp với phương pháp mô tả thống kê Suzuki và tại tần số 900MHz độ lệch tiêu chuẩn của phân bố là 6.7 dB Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng suy haoqua các cửa sổ kính tráng gương có thể có giá trị 10 dB

Các nghiên cứu thực nghiệm tại Anh cho tần số 441, 896.5 và 1400 MHz đãđưa ra các kết luận chung về sự thay đổi tín hiệu giống như ở các nghiên cứu trước đó,

và cũng đưa ra cách nhìn nhận về các ảnh hưởng của điều kiện truyền dẫn và tần sốsóng mang Các điều kiện truyền dẫn có tác động mạnh đến độ lệch chuẩn và độ lệchcủa phân bố loga chuẩn

Bảng 1.1 đưa ra suy hao thâm nhập với 3 tần số khác nhau (441, 896.1 và 1400MHz) cho một máy thu nằm trong một tòa nhà 6 tầng hiện đại Suy hao thâm nhậpgiảm khoảng 1.5 dB khi tần số tăng từ 441 lên 896.5 MHz và khoảng 4.3 dB khi tần sốtăng tới 1400 MHz Các kết quả này (suy hao thâm nhập giảm tại tần số cao hơn) đềuphù hợp với các kết luận của Rice và Mino

Trang 26

Một vài đo đạc khác tiến hành trong các tòa nhà lớn cho suy hao thâm nhập tạitầng hầm là 14.2, 13.4 và 12.8 dB tương ứng tại 900, 1800 và 2300 MHz Đối với cácnhà thiết kế hệ thống, mức suy hao thâm nhập tại tầng hầm là quan trọng nhất bởi nếumột hệ thống được thiết kế phục vụ tốt cho các thiết bị di động tại tầng hầm, thì chấtlượng phục vụ tại các tầng cao hơn trong tòa nhà cũng sẽ tốt, nếu không nói là tốt hơn.

Cần phải nhắc lại rằng tổng suy hao giữa trạm phát gốc và thiết bị di động đượcchia ra làm 2 phần: suy hao từ trạm phát gốc tới các vị trí xung quanh tòa nhà đượckhảo sát và phần suy hao thâm nhập từ điểm đó vào bên trong tòa nhà Điều này tạothuận lợi cho việc xem như các phương pháp đã thiết lập có thể được sử dụng để ướclượng thành phần thứ nhất, và suy hao thâm nhập khi đó trở thành hệ số thêm vào.Mặc dù suy hao thâm nhập, như định nghĩa, giảm khi tần số trong dải được khảo xáttăng, nhưng suy hao đường truyền từ trạm phát gốc tới vị trí xung quanh tòa nhà thìtăng Vì hệ số này cao hơn, nên tổng suy hao giữa máy phát và máy thu sẽ tăng khitần số tăng

Điều kiện lan truyền cũng có ảnh hưởng mạnh tới giá trị của độ lệch chuẩn và

độ lệch của phân bố loga chuẩn Hình 1.3 cho thấy khi không tồn tại đường truyềnLOS, sự thay đổi tín hiệu quy mô lớn tuân theo phân bố loga chuẩn và độ lệch chuẩnkhoảng 4 dB Trong điều kiện khác khi có toàn bộ hoặc một phần đường truyền LOStới tòa nhà, sự thay đổi tín hiệu quy mô lớn bị lệch đi so với phân bố loga chuẩn và có

độ lệch chuẩn cao hơn Đối với đường truyền LOS đầy đủ, độ lệch chuẩn là 6 – 7 dB.Những giá trị này rất gần với báo cáo của Cox

Trang 27

Bảng 1.1 Suy hao thâm nhập trung bình tại các tầng khác nhau của một tòa nhà 6 tầng

theo phân bố loga chuẩn với độ lệch chuẩn 4 dB.

Hai ảnh hưởng của cấu trúc tòa nhà cũng được xem xét Đầu tiên, độ lệch chuẩncủa các thay đổi dải rộng có liên quan tới diện tích của tầng trong tòa nhà khảo sát; cáctầng có diện tích nhỏ hơn sẽ có độ lệch chuẩn nhỏ hơn Tiếp đến, suy hao thâm nhậpnhìn chung giảm khi máy thu ở vị trí cao hơn trong tòa nhà; thực vậy có thể tồn tại một

Trang 28

đường truyền LOS tại các tầng cao hơn trong một tòa nhà khi mà đường truyền nhưvậy không tồn tại tại các vị trí trên tuyến phố xung quanh tòa nhà hay tại các tầng thấphơn Tuy nhiên, cũng có trường hợp suy hao thâm nhập tăng tại các tầng cao hơn trongtòa nhà Cụ thể là trong báo cáo của Walker, suy hao thâm nhập tăng từ 1.4 dB tại tầng

9 tới 15.3 dB tại tầng 12 trong cùng tòa nhà Có kết quả như vậy là do có những điềukiện truyền dẫn đặc biệt giữa máy phát và máy thu Nhìn vào hình 1.4 có thể thấy mứcbiến đổi khoảng 2dB / tầng, điều này khá gần với các kết quả nghiên cứu khác

Hình 1.4 Suy hao thâm nhập vào tòa nhà là một hàm của chiều cao tòa nhà: x là các điểm

thực nghiệm.

Tóm lại, khi máy phát ở bên ngoài tòa nhà, tín hiệu trong tòa nhà có các đặctính sau:

• Sự thay đổi tín hiệu quy mô nhỏ tuân theo phân bố Rayleigh

• Sự thay đổi tín hiệu quy mô lớn tuân theo phân bố loga chuẩn với độlệch chuẩn phù hợp với điều kiện truyền dẫn và diện tích của tầng

thực nghiệm.

Trang 29

• Suy hao thâm nhập vào tòa nhà, như định nghĩa, giảm khi tần số tăng.

(tán xạ là cơ chế chiếm ưu thế) độ lệch chuẩn của giá trị trung bình cục

bộ xấp xỉ 4 dB Khi tồn tại toàn bộ hoặc một phần đường truyền LOS, độlệch chuẩn tăng lên 6 – 9 dB

• Tỷ lệ biến đổi của suy hao thâm nhập so với chiều cao tòa nhà là khoảng

2 dB/tầng

Cuối cùng, chúng ta thảo luận về vấn đề mô hình hóa Hầu hết các mô hình lantruyền ngoài trời được phát triển và tối ưu cho macrocell, và chúng không chính xáckhi áp dụng cho microcell nơi có các anten thấp Ngoài ra, việc dự đoán mức tín hiệutrung bình trên các tuyến phố xung quanh tòa nhà sử dụng một phương pháp bị giớihạn độ chính xác và sau đó cộng thêm suy hao thâm nhập vào tòa nhà, điều này cànglàm giảm độ chính xác Rõ ràng việc dự đoán suy hao đường truyền từ một trạm phátbên ngoài tới một máy thu bên trong tòa nhà sẽ chính xác hơn nếu nó được tính toántrực tiếp và không đơn thuần là sự mở rộng của mô hình ngoài trời Barry vàWilliamson đã đề xuất giả thuyết tổ hợp các hệ số kết hợp liên quan đến sự lan truyềncủa tín hiệu từ ngoài vào trong tòa nhà và hệ số kết hợp liên quan đến sự lan truyềncủa tín hiệu bên trong tòa nhà để cho ra đời một mô hình toàn diện

Tonedo đã thực hiện một phân tích đa hồi quy với một cơ sở dữ liệu lớn vàkhảo sát sự ràng buộc của các biến số Kết quả tốt nhất thu được là phương trình hồiquy gồm 3 biến số, khoảng cách d giữa máy phát và máy thu, diện tích tầng Af của tòanhà khảo sát và hệ số SQ biểu diễn số sàn của tòa nhà có đường truyền LOS đến máythu Các phương trình tương ứng tại tần số 900 và 1800 MHz

Sai số giữa công thức toán học trên với giá trị đo thực nghiệm là 2.4 và 2.2dBtương ứng Sai số này nhỏ hơn một chút so với kết quả nghiên cứu của Barry vàWilliamson đo tại Auckland

Trang 30

1.2.2 Giai đoạn 2: Truyền sóng bên trong tòa nhà

Trong các hệ thống điện thoại không dây việc phân chia indoor của các đườngdây thuê bao được thay thế bằng một liên kết vô tuyến mà các điện thoại cầm tay cóthể được mang đi tự do trong một vùng giới hạn, các cuộc gọi được khởi tạo và nhậntheo cách thông thường Yêu cầu cho các hệ thống như vậy là phải nhanh chóngnghiên cứu các đặc tính lan truyền của các sóng vô tuyến tại nơi mà cả máy phát vàmáy thu cùng ở trong một tòa nhà Truyền dẫn sóng trong tòa nhà bị ảnh hưởng rất lớncủa các đặc tính cục bộ, như thiết kế chi tiết của tòa nhà được khảo sát và cấu trúc vậtliệu của các bức tường các mặt sàn, và trần của tòa nhà

Hệ thống vô tuyến trong nhà khác với các hệ thống vô tuyến di động thôngthường ở hai yếu tố sau: môi trường can nhiễu và tốc độ fading Môi trường can nhiễuthường xuyên gây ra bởi sự bức xạ của các thiết bị điện tử như máy tính, và mức nhiễunày đôi khi còn có thể còn lớn hơn bên ngoài Thêm vào đó là sự thay đổi rất lớn củacường độ tín hiệu từ vị trí này tới vị trí khác trong tòa nhà Tín hiệu còn có thể bị suygiảm mạnh sau khi lan truyền một vài mét qua các bức tường, trần nhà và sàn nhà haythậm chí vẫn rất mạnh sau khi lan truyền hang trăm mét dọc hành lang Tỉ số tín hiệutrên nhiễu rất khó dự đoán và thay đổi liên tục

Tốc độ fading chậm không phù hợp để tính toán hiệu suất hệ thống bằng trungbình fading, nó thích hợp hơn cho việc xem xét hai khả năng sau: Đầu tiên, nếu người

sử điện thoại không dây đang di chuyển chậm trong tòa nhà trong suốt cuộc nóichuyện thì anten sẽ bị ảnh hưởng bởi fading, mặc dù chậm hơn Tình trạng này có thểđược mô tả rõ nhất bằng tỉ lệ phần trăm của thời gian khi tỉ số tín hiệu trên nhiễu rơixuống thấp hơn một ngưỡng có thể chấp nhận được hay, trong một hệ thống số, là tỉ lệphần trăm của thời gian mà tỉ lệ lỗi vượt quá một giá trị cho trước Tuy nhiên, vì cácảnh hưởng thứ cấp (như sự chuyển động của người khác, cửa bị đóng hoặc mở) mànhững khả năng này sẽ thay đổi chậm theo thời gian

Sự hoạt động không như mong muốn của các hệ thống băng rộng cũng có thể bịgây ra bởi nhiễu giữa các ký tự do trễ dải rộng, và hạn chế tốc độ dữ liệu Do đó, trongcác hệ thống băng hẹp, fading đa đường và che khuất hạn chế vùng phủ sóng, trongkhi nhiễu là vấn đề chính trong vùng phủ sóng Nhiễu có thể xuất phát từ tự nhiên hay

Trang 31

do con người tạo ra hoặc cũng có thể do các user khác trong một hệ thống nhiều usertạo ra Nó giới hạn số người dùng có thể được phục vụ trong vùng phủ sóng Các kỹthuật như cấp phát kênh động, điều khiển công suất và thu phân tập có thể được sửdụng để giải quyết vấn đề này.

1.2.2.1 Đặc tính truyền sóng

Đã có một số nghiên cứu được thực hiện để xác định các đặc tính truyền sóng

vô tuyến trong các ngôi nhà, tòa nhà công sở, và nhà xưởng Một trong những nghiêncứu sớm nhất, được thực hiện trên một hệ thống điện thoại không dây tại Nhật Bản,với dải tần 250 MHz và 400 MHz Việc đo đạc sử dụng một máy phát công suất thấp(10mW), kết quả đo được cho thấy suy hao đường truyền trung bình tuân theo quy luậtsuy hao trong không gian tự do với khoảng cách rất ngắn (phạm vi 10m), sau đó tăng

tỷ lệ với khoảng cách Nếu đường truyền tín hiệu bị chắn bởi đồ vật, các đặc tính lantruyền sẽ bị ảnh hưởng theo các cách khác nhau và không có quy luật chung Sự thayđổi tức thời của tín hiệu xung quanh giá trị trung bình rất gần với phân bố Rayleigh, đó

là kết quả của quá trình tán xạ từ tường, sàn nhà, trần nhà và đồ đạc

Một quy luật về mối quan hệ giữa suy hao đường truyền theo khoảng cách từmáy phát được sử dụng để dự đoán cường độ tín hiệu trong một tòa nhà có cấu trúc đãcho, nhưng rất khó để đưa ra một công thức chung Các đặc tính sẽ gần như tuyến tínhkhi các phòng có kích thước giống nhau, bố trí đều, với các bức tường suy hao giốngnhau giữa các phòng Số mũ n trong công thức tính công suất thay đổi từ xấp xỉ 2(trong không gian tự do) theo dọc tiền sảnh và hành lang sau đó tăng đến gần 6 khiđường truyền bị tắc nghẽn cao

Motley và Keenan đã báo cáo kết quả nghiên cứu của họ với môi trường nghiêncứu là một tòa nhà công sở nhiều nhiều tầng tại tần số 900 và 1700 MHz [4] Nóichung suy hao đường truyền đo được tại tần số 1700 MHz cao hơn 5.5 dB so với tần

số 900 MHz

Các kết quả đo thực nghiệm khác cho thấy suy hao qua tường tấm thạch cao hailớp là 3 – 4 dB và qua tường gạch là 7 – 8 dB Các giá trị này nhỏ hơn suy hao quasàn, có thể do sàn nhà thường bằng bê tông có lưới kim loại gia cố Và có thể thấyrằng tại tần số 1700 MHz có xu hướng giữ lại năng lượng sóng vô tuyến cao hơn tại

Trang 32

tần số 900 MHz khi truyền qua cầu thang và thang máy Điều này đã được đúc kết lạirằng suy hao giữa các tầng chịu ảnh hưởng bởi cấu trúc vật liệu của các bức tường, sốlượng và kích thước cửa sổ và loại kính.

Môi trường xung quanh tòa nhà cũng phải được xem xét, vì rõ ràng, năng lượngbên trong tòa nhà có thể lan truyền ra xa, bị phản xạ và nhiễu xạ từ những tòa nhàxung quanh và lại đi vào tòa nhà với mức độ mạnh hay yếu hơn tùy thuộc vào anten

và đặc tính phân cực của nó Các cuộc thử nghiêm cũng đã chỉ ra rằng suy giảm giữacác tầng gần kề lớn hơn suy giảm gia tăng bởi mỗi tầng thêm vào và sau 5 hoặc 6 tầngthì suy giảm gia tăng càng ít hơn Đã có một vài nghiên cứu được công bố về suy haotín hiệu gây ra bởi lan truyền sóng qua các vật liệu xây dựng khác nhau trên một dảitần rộng

Các nghiên cứu này chỉ ra rằng tất cả các lan truyền tín hiệu trong tòa nhà phụthuộc vào quy hoạch và kiến trúc tòa nhà tại tần số 1700 MHz nhiều hơn là tại tần số

900 MHz Mặc dù suy hao tín hiệu tăng theo tần số nhưng dải tần 1700 MHz có thểđược sử dụng cho hệ thống điện thoại không dây trong nhà, nơi mà trong bất cứ trườnghợp nào, số lượng trạm phát gốc phụ thuộc vào dung lượng và yêu cầu chất lượng hoạtđộng hơn là sự giới hạn vùng phủ sóng của tín hiệu

Phần tiếp theo chúng ta sẽ tìm hiểu hai mô hình truyền sóng trong nhà tiêu biểu:

• Mô hình truyền sóng trong tòa nhà của Rappaport

• Mô hình truyền sóng tronh tòa nhà của Keenen và Motley

1.2.2.2 Mô hình truyền sóng trong tòa nhà của Rappaport

Hướng tới dịch vụ truyền thông cá nhân (PCS) hiện đang là mối quan tâm lớncủa hệ thống truyền sóng vô tuyến trong tòa nhà Kênh vô tuyến indoor không giốngvới kênh vô tuyến di động truyền thống bởi 2 khía cạnh – khoảng cách được bao phủnhỏ hơn, và môi trường thay đổi nhanh với khoảng cách T-R nhỏ hơn nhiều Quan sátcho thấy truyền sóng trong tòa nhà bị ảnh hưởng mạnh bởi các đặc tính đặc biệt nhưthiết kế của tòa nhà, vật liệu xây dựng, và kiểu tòa nhà

Trang 33

Truyền sóng vô tuyến trong tòa nhà bị chi phối bởi cùng các cơ chế nhưoutdoor: phản xạ, nhiễu xạ, tán xạ Tuy nhiên, các điều kiện thay đổi nhiều hơn Ví

dụ, các mức tín hiệu thay đổi lớn hay không còn phụ thuộc vào các cánh cửa bêntrong tòa nhà đóng hay mở Nơi đặt các anten cũng tác động lớn tới việc truyền sóng.Các anten được lắp đặt trên bàn giấy trong một phòng được ngăn cách nhận đượcnhiều loại tín hiệu hơn là được lắp đặt trên trần nhà Cũng như vậy, khoảng cáchtruyền sóng nhỏ hơn gây khó khăn hơn cho việc đảm bảo vùng bức xạ rộng cho tất cảcác bộ thu và các loại anten

Tóm lại, các kênh indoor có thể được phân loại thành đường truyền thẳng(LOS) hay bị che khuất (OBS), với sự thay đổi của mức độ tắc nghẽn Một số mô hìnhtruyền sóng trong nhà sẽ được trình bày dưới đây:

• Mô hình suy hao đường truyền với hệ số suy hao theo tầng (FAF)

Mô hình suy hao đường truyền phụ thuộc vào khoảng cách

Rappaport và các cộng sự của mình đã tiến hành rất nhiều các thí nghiệm trong

cá môi trường bên trong tòa nhà khác nhau tại các địa điểm và vị trí khác nhau Mụcđích chính của các thí nghiệm nay là đạt được các tham số duy nhất về suy giảm và dựđoán suy hao của các tòa nhà cao tầng khác nhau

Mô hình trong tài liệu chỉ ra rằng suy hao đường truyền trung bình tăng theo tỷ

lệ mũ với khoảng cách Tức là, suy hao đường truyền trung bình là một hàm củakhoảng cách với số mũ n [10]

Trong đó là suy hao đường truyền trung bình, n là số mũ suy hao đườngtruyền trung bình chỉ thị tổn hao đường truyền tăng nhanh theo khoảng cách như thếnào, d0 là khoảng cách tham chiếu, và d là khoảng cách giữa máy phát và máy thu Khiđược vẽ theo thang log – log, quan hệ số mũ - khoảng cách là một đường thẳng Suyhao đường truyền trung bình tuyệt đối, tính theo dB, được định nghĩa là suy hao đường

Trang 34

truyền từ máy phát tới khoảng cách tham chiếu d0 , cộng với tổn hao tính theo phươngtrình (1.28) tính theo dB

Mô hình được đề xuất dựa theo kinh nghiệm thực tế có tính toán tới các ảnhhưởng của hiệu ứng che khuất bằng cách đưa vào vào phương trình (1.29) một biếnngẫu nhiên , mô tả đặc tính thống kê của fading chậm trong liên kết indoor và như

suy hao đường truyền tổng cộng trong tòa nhà tính theo dB như sau:

số là các hàm của kiểu tòa nhà; cánh, chái tòa nhà; và số tầng giữa máy phát Tx và

máy thu Rx Hồi quy tuyến tính được sử dụng để tính toán giá trị của n và với mộtsai số bình phương trung bình tối thiểu (MMSE) kiểm chứng cho các số liệu đo được.Các số liệu được nhóm thành kiểu tòa nhà; cánh, chái tòa nhà; số tầng giữa máy phát

và máy thu để đưa ra được độ lệch tiêu chuẩn nhỏ hơn Như có thể thấy về sau, môhình này chính xác hơn khi dự đoán suy hao đường truyền như một hàm của khoảng

nói chung

Trang 35

Bảng 1.2 tóm lược số mũ, độ lệch chuẩn cho suy hao đường truyền trong cácmôi trường khác nhau, và số vị trí đo đạc được sử dụng đ tính toán thống kê cho mỗitrường hợp.

Từ bảng 1.2, có thể thấy trong các biến số cho dự đoán suy hao đường truyềnthì với n = 3.14 cho độ lệch chuẩn lớn là 16.3 dB Giá trị lớn lớn này của là quychuẩn cho số liệu thu thập được từ các kiểu tòa nhà khác nhau, và chỉ ra rằng chỉ có68% các đo đạc thực tế sẽ có sai lệch ± 16.3 dB so với suy hao đường truyền dựđoán Các tham số này có thể được sử dụng trong mô hình cho dự đoán đầu tiên vềcường độ tín hiệu trung bình khi chỉ biết khoảng cách máy phát máy thu và không cóthông tin đặc biệt nào về tòa nhà, nhưng nó sẽ không đầy đủ cho việc thiết kế cụ thểhay dự đoán dung lượng Nếu máy phát và máy thu trong cùng một tầng, đo đạc suyhao đường truyền ít khắt khe hơn, và độ lệch chuẩn giảm không đáng kể Ta có n=2.76

và =12.9 ,số liệu được lấy từ 4 tòa nhà

Trang 36

Bảng 1.2 Số mũ n và độ lệch sử dụng cho mô hình suy hao đường truyền phụ thuộc khoảng

cách đo tại tần số sóng mang 914MHz

Trang 37

Bảng 1.3 Số mũ và độ lệch chuẩn cho suy hao đường truyền được đo cho các tòa nhà khác

Trang 38

Hình 1.5 Đồ thị suy hao đường truyền là một hàm của khoảng cách tại tòa nhà công sở 1

Hình 1.6 Đồ thị suy hao đường truyền là một hàm của khoảng cách tại tòa nhà công sở 2

Trong môi trường nhiều tầng, phương trình (1.32) được sử dụng để mô tả suyhao trung bình như một hàm của khoảng cách Phương trình (1.32) đồng nhất vớiphương trình (1.29) nhưng nhấn mạnh rằng số mũ suy hao đường truyền trung bình là

Trang 39

một hàm của số tầng giữa máy phát và máy thu Giá trị của n (nhiều tầng) cho trong

bảng 1.2 được sử dụng trong phương trình này

Mô hình suy hao đường truyền với hệ số suy hao theo tầng (FAF)

Trong mô hình trên, suy hao đường truyền trong môi trường nhiều tầng được dựđoán bởi số mũ suy hao đường truyền trung bình là một hàm của số tầng giữa máyphát và máy thu Trong một phương pháp khác, một hệ số suy giảm theo tầng khôngđổi (tính theo dB), là một hàm của số tầng và kiểu tòa nhà, có thể được thêm vào trong

dự đoán suy hao đường truyền trung bình bởi một mô hình suy hao sử dụng số mũ suyhao đường truyền trong cùng tầng [10] Mô hình được mô phỏng qua phương trình(1.33)

Trong đó d tính theo m và PL(d 0 )[dB]=31.7 tại tần số 914MHz.

Bảng 1.4 Hệ số suy giảm theo tầng trung bình (dB) cho một, hai, ba, và bốn tầng giữa máy phát và máy thu trong hai tòa nhà công sở; cùng với độ lêch tiêu chuẩn (dB) và số vị trí được

Trang 40

Hệ số suy giảm theo tầng trung bình cho số tầng giống nhau giữa máy phát vàmáy thu của 2 tòa nhà chênh lệch 3 – 8 dB Tất cả các tầng trong 2 tòa nhà công sở đềuđược gia cố bê tông Tòa nhà thứ nhất được xây dựng khoảng 10 năm trở về trước, vàtòa nhà thứ 2 khoảng 20 – 30 năm tuổi Cần chú ý là trong các tòa nhà này, FAF trungbình không phải là hàm tuyến tính của số tầng giữa máy phát và máy thu Điều đó cóthể là các tầng khác nhau gây ra lượng suy hao đường truyền khác nhau, và có thể cócác yếu tố khác như sự phản xạ đa đường từ các tòa nhà xung quanh ảnh hưởng tới suyhao đường truyền Cần thực hiện nhiều đo đạc trong nhiều tòa nhà cao tầng để xácđịnh hệ số suy giảm theo tầng như một hàm của tần số và vật liệu tòa nhà, với mụcđích cuối cùng là, suy hao giữa các tầng khác nhau trong tòa nhà có thể dự đoán được

mà không cần đo đạc

Một ví dụ về việc sử dụng hai mô hình khác nhau để dự đoán suy hao đườngtruyền trung bình qua 3 tầng của tòa nhà công sở thứ nhất, giả sử số mũ suy hao đườngtruyền trung bình trong cùng tầng đo được trong tòa nhà là n=3.27, số mũ suy haođường truyền trung bình cho 3 tầng đo được là n=5.22, và hệ số suy giảm theo tầngtrung bình là FAF = 24.4 dB cho 3 tầng giữa máy phát và máy thu Các hệ số này đượccho ở bảng 1.2 và 1.4 của tòa nhà công sở thứ nhất Từ đó, tại khoảng cách máy phát –

Định dạng
Số trang	137
Dung lượng	11,29 MB