Tiểu luận mô hình truyền sóng OKUMURA

MỤC LỤC Mở đầu ………………………………………………… 3 Chương 1 : Tổng quan về truyền sóng …………………. 5 1.1. Nguyên lý truyền dẫn sóng điện từ ……………...5 1.2. Suy hao đường truyền trên các địa hình ………… 9Chương 2 : Một số mô hình truyền sóng ………………..112.1Các mô hình truyền sóng ……………………….112.1.1Mô hình Okumura …………… . ………..112.1.2Mô hình Hata ………………...………….132.1.3Mô hình Cost 231…………………….… 142.2So sánh ………………………………………….16Chương 3 : Mô hình Okumura và ứng dụng…………….173.1. Mô hình Okumura …………………………………..173.2. Ứng dụng ………… ..………………………………21 Kết luận …………………………………………………21 MỞ ĐẦUHệ thống thông tin di động toàn cầu (tiếng Anh: Global System for Mobile Communications; tiếng Pháp: Groupe Spécial Mobile; viết tắt: GSM) là một công nghệ dùng cho mạng thông tin di động. Dịch vụ GSM được sử dụng bởi hơn 2 tỷ người trên 212 quốc gia và vùng lãnh thổ. Các mạng thông tin di động GSM cho phép có thể roaming với nhau do đó những máy điện thoại di động GSM của các mạng GSM khác nhau ở có thể sử dụng được nhiều nơi trên thế giới. GSM là chuẩn phổ biến nhất cho điện thoại di động (ĐTDĐ) trên thế giới. Khả năng phú sóng rộng khắp nơi của chuẩn GSM làm cho nó trở nên phổ biến trên thế giới, cho phép người sử dụng có thể sử dụng ĐTDĐ của họ ở nhiều vùng trên thế giới. GSM khác với các chuẩn tiền thân của nó về cả tín hiệu và tốc độ, chất lượng cuộc gọi. Nó được xem như là một hệ thống ĐTDĐ thế hệ thứ hai (second generation, 2G). GSM là một chuẩn mở, hiện tại nó được phát triển bởi 3rd Generation Partnership Project (3GPP) Đứng về phía quan điểm khách hàng, lợi thế chính của GSM là chất lượng cuộc gọi tốt hơn, giá thành thấp và dịch vụ tin nhắn. Thuận lợi đối với nhà điều hành mạng là khả năng triển khai thiết bị từ nhiều người cung ứng. GSM cho phép nhà điều hành mạng có thể sẵn sàng dịch vụ ở khắp nơi, vì thế người sử dụng có thể sử dụng điện thoại của họ ở khắp nơi trên thế giới. Các mạng di động GSM hoạt động trên 4 băng tần. Hầu hết thì hoạt động ở băng 900 MHz và 1800 MHz. Các mạng sử dụng băng tần 900 MHz thì đường lên (từ thuê bao di động đến trạm truyền dẫn uplink) sử dụng tần số trong dải 890–915 MHz và đường xuống downlink sử dụng tần số trong dải 935–960 MHz

MỤC LỤC

Mở đầu ……… 3

Chương 1 : Tổng quan về truyền sóng ……… 5

1.1 Nguyên lý truyền dẫn sóng điện từ ……… 5

1.2 Suy hao đường truyền trên các địa hình ………… 9

Chương 2 : Một số mô hình truyền sóng ……… 11

2.1 Các mô hình truyền sóng ……….11

2.1.1 Mô hình Okumura ……… ……… 11

2.1.2 Mô hình Hata ……… ………….13

2.1.3 Mô hình Cost 231……….… 14

2.2 So sánh ……….16

Chương 3 : Mô hình Okumura và ứng dụng……….17

3.1 Mô hình Okumura ……… 17

3.2 Ứng dụng ………… ………21

Kết luận ………21

MỞ ĐẦU

Hệ thống thông tin di động toàn cầu (tiếng

Pháp: Groupe Spécial Mobile; viết tắt: GSM) là một công

sử dụng bởi hơn 2 tỷ người trên 212 quốc gia và vùng lãnh thổ Các mạng thông tin di động GSM cho phép có thể

roaming với nhau do đó những máy điện thoại di động GSM của các mạng GSM khác nhau ở có thể sử dụng được nhiều nơi trên thế giới

trên thế giới Khả năng phú sóng rộng khắp nơi của chuẩn GSM làm cho nó trở nên phổ biến trên thế giới, cho phép người sử dụng có thể sử dụng ĐTDĐ của họ ở nhiều vùng trên thế giới GSM khác với các chuẩn tiền thân của nó về

cả tín hiệu và tốc độ, chất lượng cuộc gọi Nó được xem

như là một hệ thống ĐTDĐ thế hệ thứ hai (second

generation, 2G) GSM là một chuẩn mở, hiện tại nó được

Đứng về phía quan điểm khách hàng, lợi thế chính của GSM

là chất lượng cuộc gọi tốt hơn, giá thành thấp và dịch vụ tin nhắn Thuận lợi đối với nhà điều hành mạng là khả năng triển khai thiết bị từ nhiều người cung ứng GSM cho phép nhà điều hành mạng có thể sẵn sàng dịch vụ ở khắp nơi, vì thế người sử dụng có thể sử dụng điện thoại của họ ở khắp nơi trên thế giới Các mạng di động GSM hoạt động trên 4 băng tần Hầu hết thì hoạt động ở băng 900 MHz và

1800 MHz

Các mạng sử dụng băng tần 900 MHz thì đường lên (từ thuê bao di động đến trạm truyền dẫn uplink) sử dụng tần số trong dải 890–915 MHz và đường xuống downlink sử dụng tần số trong dải 935–960 MHz

Chương 1 : Tổng quan về truyền sóng

1 Nguyên lý truyền dẫn sóng điện từ

1.1 Các cơ chế lan truyền song điện từ

Lan truyền sóng điện từ được chia thành 3 cơ chế cơ bản :

• Phản xạ

• Khúc xạ

• Tán xạ

Hình 1.1.1 : Các cơ chế lan truyền sóng điện từ

Phản xạ là hiện tượng xảy ra khi song điện từ và đập vào vật thể

có kích thước lớn hơn rất nhiều so với bước sóng

Khúc xạ là cơ chế xảy ra khi đường truyền sóng bị che khuất một

phần bởi một vật thể Trong thong tin vô tuyến đây là thuộc tính rất quan trọng Nó làm tang hiệu ứng che khuất và nó cho phép thiết kế một hệ thống mạng di động với vị trí của trạm gốc với hay

di động luôn thay đổi

Tán xạ là cơ chế truyền dẫn trong trong môi trường có chứa vật

thể nhỏ hơn nhiều so với bước sóng tín hiệu

1.2. Các hiệu ứng lan truyền sóng

Lan truyền sóng điện từ trong môi trường thực là một quá trình phức tạp, đó là sự kết hợp của nhiều cơ chế lan truyền khác nhau Tuy nhiên, nó được mô hình hóa thành 3 loại hiệu ứng cơ bản sau:

• Hiệu ứng nhiều tia

• Hiệu ứng che khuất

• Lan truyền qua tòa nhà và khu vực giao thông

Hiệu ứng nhiều tia là hiệu ứng lan truyền song rất phổ biến

trong môi trường di động Nó là sự tổng quát hóa của cơ chế phản

xạ hai tia Trong thực tế, lan truyền nhiều tia sẽ có hang chục đến hang trăm tín hiệu thành phần với biên độ và pha ngẫu nhiên sẽ đến máy thu

Đây là cơ chế phading nhanh, nó xuất hiện khi tín hiệu thu được

từ rất nhiều đường truyền có pha biến đổi Kết quả là pha sẽ loại trừ nhau một cách ngẫu nhiên, gây ra phading nhanh, đôi khi rất sâu hoặc đội khi biên độ tăng lên nhiều lần, xuất hiện với khoảng cách là hệ số nguyên lần bước song

Phadinh nhanh được chia làm 2 loại Đó là phadinh Rayleigh

và Racian

Khi một máy di động di chuyển qua một vùng phủ sóng, mỗi một cơ chế lan truyền sẽ có ảnh hưởng tức thời đến tín hiệu thu được

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

Ngược lại, nếu từ mấy di động đến trạm gốc không có đường truyền thẳng, thì các cơ chế lan truyền khác như phản xạ, khúc xạ

là đường truyền tín hiệu chính đến may thu Đây là phân bố cua phadinh Rayleigh

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

Hình 1.1.2 : Hiệu ứng lan truyền nhiều tia

Hình 1.1.3 : Phading Rayleigh

Hiệu ứng che khuất: sự thay đổi chậm trong suy hao đường

truyền gây ra bởi sự che chắn hoặc một phần do kich thước lớn của vật thể hoặc đặc tính của địa hình Sự che khuất thay đổi chậm được miêu tả bởi một phân bố khác nhau gọi là phân bố loga Đó là kết quả của cơ chế tán xạ trên một số các vật thể, dẫn tới sự thay đổi ngẫu nhiên của tín hiệu

Lan truyền qua tòa nhà và khu vực giao thông.

Mấy di động có thể di chuển khắp mọi nơi, trong tòa nhà cũng như trên các phương tiện giao thông, trên mọi nẻo đường để đảm bảo rằng cường độ tín hiệu đủ mạnh tới các máy di động, chúng ta cần phải tính toán suy hao đường truyền khi tín hiệu xuyên qua các vật thể Vì có sự khác nhau của vật liệu, hướng truyền, vị trí của vật thể nên rất khó có thể dự đoán chính xác suy hao cho từng trường hợp cụ thể Vi vậy, chúng ta phải sử dụng các mô hình thống kê

Cụ thể là chúng ta muốn biết suy hao năng lượng trung bình của tín hiệu khi đi qua vật thể Dự đoán mức tín hiệu trong tòa nhà là rất phức tạp một tòa nhà là sự tổ hợp của nhiều vật cản cô chế lan truyền cơ bản được ứng dụng cho tín hiệu lan truyền vào và bên trong tòa nhà là khúc xạ

Mức tín hiệu bên trong tòa nhà chịu ảnh hưởng của nhiều tham

số khác nhau Đó là:

1 Góc tới của tín hiệu từ trạm gốc đến tòa nhà.

2 Hình dạng của cửa sổ.

3 Đặc tính hấp thụ và phản xạ của bề mặt và tường của tòa nhà.

4 Sự bố trí sắp xếp và đặc tính của đồ vật bên trong.

5 Sự thay đổi từ tầng nọ đến tầng kia so với vị trí của trạm gốc.

6 Lan truyền trong các hộp kỹ thuật, giếng thang máy.

Mặc dù đã có một số nghiên cứu về lan truyền sóng trong tòa nhà, nhưng kết quả lại rất khác nhau Cho nên hầu hết các kỹ sư ohair sử dụng đến phương pháp thống kê dựa trên các phép đo thực tế, thay vì xác định một phương thức tiếp cận tổng quát

2 Suy hao đường truyền trên các địa hình

2.1. Suy hao trên địa hình bằng phẳng

Khi tín hiệu lan truyền phía trên một mặt bằng phẳng phản xạ toàn phần có thể xảy ra và thường dẫn đến một góc phản xạ tới máy thu

di động

Hinh 1.2.1 Tác động của đường mức địa hình tới sự tán xạ của

sóng vô tuyến

Sóng phản xạ bề mặt nhẵn tuân theo định luật Snell Đinh luật này chỉ ra rằng tích chỉ số khúc xạ N1 và Cosin của góc tới (θ) là hằng số dọc theo đường đi của tia

Hình 1.2.2 Phản xạ bề mặt nhẵn

Nếu bỏ lan truyền trong đất thì tính theo công thức sau :

Trong trường hợp phân cực ngang : (1.1)

Trong trường hợp phân cực đứng : (1.2)

Với ξc = ξr – j60δλ (1.3)

ξc hằng số điện môi

ξr hằng số điện môi tương đối

δ độ dẫn điện trong môi trường

λ bước sóng

2.2. Suy hao trên địa hình đồi núi

Truyền sóng trên địa hình đồi núi thường chịu tác động bất lợi là các đỉnh đồi núi Suy hao bởi những vật cản như vậy gọi là suy hao nhiễu xạ Ứng dụng công thức lý thuyết cổ điển

E0 là điện trường trong không gian tự do không có khúc xạ

F hệ số nhiễu xạ

Δφ g óc lệch pha với đường trực tiếp

Phần 2 : Một số mô hình truyền sóng

2.1Các mô hình truyền song

2.1.1. Mô hình Okumura

Mô hình miêu tả sự suy hao và thay đổi cường độ điện trường điện

từ theo sự thay đổi của địa hình Okumura đã tính toán một cách

hệ thống với các địa hình khác nhau Ông đã phân loại địa hình và môi trường như sau :

Đ ịa h ình :

- Địa hình bằng phẳng là địa hình khu vực các vật thể trên đó

có chiều cao trung bình không quá 20m

- Địa hình bất thường là địa hình không thuộc địa hình bằng phẳng như đồi núi

Môi trường :

- Khu vực mở là khu vực không có cây cao , tòa nhà cao tầng chắn ngang đường truyền sóng Địa hình thoáng đãng không

có vật thể nằm cản đường truyền đến máy di động

- Khu vực ngoại ô : khu vực làng xã , dân cư thưa thớt Khu vực này có một số vật thể che chắn đường truyền nhưng không hoàn toàn

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

• Trường hợp ở khu vực thành phố :

L OKUMURA (dB)=L fs +A m (f,d)–G(h te )–G(h re )- Garea (2.2)

Trong đó :

• L fs là suy hao đường truyền không gian tự do.

• A m là suy giảm liên quan giữa trong khoảng tự nhiên.

• Garea là độ lợi phụ thuộc vào môi trường.

H ình 2.1.1 Đường cong (f,d)

Hình 2.1.2 Đường cong GARGEA

2.1.2 Mô hình Hata

M ô h ình Hata được xây dựng dựa trên đúc rút kinh nghiệm

từ mô hình Okumura Mô hình Hata chuyển đổi các thông số suy hao đường truyền có tính hình học của Okumura sang công thức toán học

Mô hình này được xây dựng dựa trên đường truyền suy hao

giữa các anten Isotropic , nhưng nó cũng xét đến thông số khác như chiều cao của anten trạm BTS , chiều cao anten

MS Địa hình trong mô hình này tương đối bằng phẳng , không có gì bất thường

Các điều kiện ràng buộc của mô hình này :

- Dải tần làm việc : 150 đến 1500MHz

- Chiều cao c ủa anten BTS : 30 đến 200m

- Khoảng cách giữa BTS v à MS : 1 đến 20km

LHATA = 69,55 + 26,16.logfc – 13,82.loghB - a(hm) +

( 44,9 – 6,55.loghB).logR (2.3) Trong đó :

Đối với khu vực thành phố vừa và nhỏ :

a(hm) = (1,1logfc – 0,7)hm – (1,56logfc-0,8) (2.4) Đối với khu vực thành phố lớn :

a(hm) = 8,29.(log1,54hm)2 -1,1 fc<200MHz (2.5) a(hm) = 3,2.(log11,75hm)2 -4,97 fc>400MHz (2.6) Khu vực ngoại ô :

LHATA , Suburban = LH ATA – 2.(log(fc/28))2 – 5,4 (2.7) Khu vực trống :

LHATA,Suburban = LHATA - 4.78.(logfc)2 + 18,33.logfc – 40,94 (2.8)

Bảng 2.1 Bảng tham số hóa Hata

2.1.3 Mô hình Cost231

Mô hình Cost231 tính toán với dải tần từ 800 đến

2000Mhz được áp dụng cho tất cả các đường truyền thằng LOS và đường truyền gián tiếp NLOS Đối với đường truyền

LOS , mô hình sẽ đc bổ sung them 2 điều kiện Điều kiện thứ nhất là suy hao trên bề mặt như tín hiệu qua các mái nhà Điều kiện thứ 2 gây ra bởi khúc xạ và tán xạ tại mái nhà , cạnh toàn nhà , góc phố

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

- Suy hao lam truyền trong không gian tự do Lfs

- Suy hao trên nhiều bề mặt Lms

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

Điều kiện ứng dụng của mô hình là cho đường truyền sóng

vô tuyến trong khu vực đô thị

- Tần số làm việc fc : 800 đến 2000MHz

- Chiều cao cột BTS hB : 4 đến 50m

- Chiều cao anten MS hm : 1 đến 3m

- Khoảng cách BTS đến MS : 20 đến 50km

Công thức Cost231

(2.9) Suy hao trong không gian tự do :

Lfs = L(dB) = 32,44 + 20.logf(MHz) + 20 logd(km) (2.10) Suy hao khúc xạ và tán xạ :

Lrts = -16,9 – 10logW + 10.logfc + 20.logΔhm + Lϕ (2.11) Suy hao đa bề mặt :

Lms = Lbsh + kd.logd + kp.logfc – 9logb (2.12)

Suy hao đường phố :

( 2.13)

Các thông số trong mô hình Cost231

2.2 So sánh

- Mô hình Okumura bị giới hạn ở khoảng cách ngắn , nhỏ hẹp thì xác định rất khó Nhưng nếu xét trên khoảng cách lớn thì

mô hình này có ưu điển hơn mô hình Hata và Cost231 Mô hình khá rộng rãi

- Mô hình Cost231 ưu đểm là tính toán chính xác với sai số thấp ở khu vực các thành phố lớn Nhưng bị giới hạn ở những tần số thấp hơn 800MHZ thì ko áp dụng được

- Mô hình Hata thì nó có ưu điểm riêng được áp dụng cho khu vực thành phố vừa và nhỏ Bị giới hạn những tần số lớn hơn 1500MHz thì ko tính được theo mô hinh Hata

- Cả 2 mô hình Okumura và Hata không được áp dụng được cho đường truyền ngắn dưới 1km

Phần 3 : Mô hình Okumura và ứng dụng

3.1 Mô hình Okumura

Mô hình của Okumura và các cộng sự dựa trên số liệu thực nghiêm chuyển thành các đồ thị và có thể áp dụng cho sự truyền sóng vô tuyến di động VHF và UHF Aps dụng cho các bước sau ta có thể phân biệt được các giá trị suy hao đường truyền đối với các vùng nông thôn rộng thoáng và các vùng

đô thị

Hình 3.1.1 : Đường cong suy hao trung gian trên địa hình nhẵn

trong vùng đô thị Am(f,d)

Hình 3.1.2 : Đường cong suy hao trung gian đối với các vùng rộng

thoáng

Trước tiên , từ hình 3.1.1 ta được giá trị suy hao qua điểm trên địa hình gần nhất trong vùng đô thị

Bước thứ hai , trừ giá trị suy hao ở giữa cho hệ số hiệu chỉnh đối

với vùng đô thị hay vùng rộng thoáng Hai hệ số hiệu chỉnh này

được chỉ ra trong Hình 3.1.2

Bước thứ ba , áp dụng các hệ số hiệu chỉnh đối với độ cao anten như sau :

• 6dB/octave đối với độ cao anten trạm gốc

• 3dB/octave đối với độ cao anten máy di động 3m<h2<5m

• 2h2.log(h2/3) đối với độ cao anten máy di động 5m<h2

<10m

Các hệ số hiệu chỉnh được mô tả tròn hình Okumura như các hệ đối với khu vực đồi núi Vì các hệ số hiệu chỉnh này

được cộng với các giá trị suy hao ở Hình 3.1.1 , giá trị dự

đoán sẽ tiến gần đến giá trị trung bình thống kê hơn

Công thức tổng quát của suy hao đường truyền qua các ô hình khác nhau Thông thường đường truyền có thể đi qua nhiều mức địa hình Giả thiết độ dốc suy hao đường truyền

là r1 được dự đoán trong vùng A và r2 trong vùng B

Đường A trên khoảng r : ( r<r1 ) là trong vùng A và r1<r<r2 là trong vùng B Công suất Pr thu được trong vùng B tại khoảng cacsg r tính từ máy phát Công suất P0 trong vùng A có thể tính như sau :

( 3.1)

ϒ : theo thang tuyến tính

Công thức tổng quát của suy hao đường truyền L đối với

độ dài đường r đi qua n khu vực khác nhau với n độ dốc duy hao khác nhau { ϒi : i= 1,2,….,n }

(3.2) với rn-1 ≤ r ≤ rn

Mô hình biểu diễn bởi công thức sau :

• Trường hợp ở khu vực thành phố :

L OKUMURA (dB)=L fs +A m (f,d)–G(h te )–G(h re )- Garea

Trong đó :

• L fs là suy hao đường truyền không gian tự do.

• A m là suy giảm liên quan giữa trong khoảng tự nhiên.

antenna di động.

Đồ thị của A m (f,d) và G area với dải rộng của tần số ở hình 3.1.1 và 3.1.2 với G(h te ) là 20 dB/decade và G(h re ) là 10 dB/decade chiều cao ít hơn 3m

Tính toán các thông số trong cong thức OKUMURA :

h te = 100m,h re = 10m trong môi trường ngoại ô.Nếu trạm phát phát ra EIRP là 1KW tần số mang là 900MHz.

• Giải :

• Suy hao đường truyền không gian tự do được tính bởi công thức 3.3:

• L fs = 10 log [ λ 2 /(4Π) 2 d 2 ]

• = 10 log [0.332 /(4Π) 2 (50x103 )2] = 125.5 dB

• Và G AREA = 9 dB

• G(h tr ) = 20 log(h te / 200)

• G(h tr ) = 20 log (100/200) = -6 dB

• G(h re ) = 250 log (h re / 3) = 20 log(10/3) G(h re ) = 10.46 dB

• L okumura (dB)=L fs +A m (f,d)–G(h te )–G(h re ) – G AREA = 125.5 dB +

43 dB – (-6dB) – 10.46 dB –9 dB =155.04 dB.

3.2 Ứng Dụng

Mô Okumura được sử dụng rộng rãi dung để khảo sát lắp đặt hệ thống trên mô hình thực nghiệm với địa hình nhiều khu vực khác nhau.

KẾT LUẬN

Sau một thời gian nghiên cứu và đọc thêm tài liệu

nhóm em đã hoàn thành được bài tiểu luận về “ Mô hình truyền song Okumura “ Bài tiểu luận được chia làm ba phần lớn và đã giải quyết được các vấn đề : Tổng quan về truyền sóng ; Các mô hình truyền song và so sánh để lựa chọn từng mô hình vào từng điều kiện thực tế khác nhau ; Phân tích mô hình Okumura với những ưu nhược điểm của mô hình

Mặc dù vậy , do hạn chế về thời gian , kiến thức bản thân nên bài tiểu luận của nhóm em không tránh khỏi nhiều thiếu sót , nhiều vấn đề chưa được giải quyết mottj cách đầy đủ và triệt để Kính mong thầy thong cảm , giúp đỡ và góp ý cho nhóm em để