Tiểu luận mô hình truyền sóng HATA

MỤC LỤCLỜI NÓI ĐẦUChương 1 : Tổng quan các mô hình truyền thông tin di độngChương 2 : Các mô hình truyền thông tin di động2.1 Mô hình OKURUMA2.2 Mô hình COST 2312.3 Mô hình IMT 20002.4 Mô hình HATAChương 3 : Mô hình HATA3.1 Khái quát mô hình 3.2 Công thức tính suy hao3.2.1 Mô hình HATA cho khu vực đô thị3.2.2 Mô hình HATA cho khu vực ngoại ô3.2.3 Mô hình HATA cho khu vực nông thôn3.2.4 Mô hình HATA cho khu vực mở3.3 Biểu đồ suy hao truyền sóng trong các khu vực3.4 Hạn chế của mô hình HATAChương 4 : Kết luậnPHỤ LỤCTÀI LIỆU THAM KHẢOLỜI NÓI ĐẦUNhững năm gần đây, với sự phát triển của về kinh tế xã hôi của đất nước tốc độ hiện đại hóa tại các đô thị và đô thị hóa diễn ra mạnh mẽ. Nhiều công trình cao ốc mọc lên trong các thành phố lớn,đồng thời cũng xuất hiện nhiều công trình ngầm, công trình có cấu trúc phức tạp như tòa nhà văn phòng, khách sạn, chung cư cao cấp … Tại các công trình này có yêu cầu lớn về thông tin và lưu lượng thông tin. Yêu cầu cao về chất lượng phục vụ của hệ thống nói chung và thông tin vô tuyến di động nói riêng.Tuy nhiên, do đặc điểm phức tạp của cấu trúc công trình cùng với sự thiếu đồng bộ khi xây dựng công trình chưa tính đến các yếu tố phủ sóng di động nên tín hiệu di động kém,tồn tại nhiều điểm mù sóng, chuyển giao, chất lượng cuộc gọi thấp… Với các lí do trên, việc xây dựng hệ thông phủ sóng trong công trình này đảm bảo chất lượng phục vụ của mạng di động là hết sức cần thiết.Hầu hết các hệ thống di động hoạt động ở khu vực đô thị không có đường truyền trực tiếp từ máy phát đến máy thu và tại những nơi có các cao ốc gây ra suy hao do nhiễu xạ rất lớn. Do có nhiều hiện tượng phản xạ từ nhiều vị trí nên sóng điện từ đến máy thu từ nhiều đường có chiều dài khác nhau gây ra giao thoa lẫn nhau gọi là fading đa đường và làm giảm cường độ sóng.Các mô hình truyền sóng thường tập trung vào việc ước tính mức tín hiệu thu trung bình với cự ly tính từ máy phát cũng như sự thay đổi tín hiệu trong không gian gần vị trí đang xét.Việc tính cường độ trung bình của tín hiệu nhằm xác định vùng phủ sóng của máy phát được gọi là mô hình diện rộng (large scale) với khoảng cách từ vài trăm đến vài ngàn mét.Mặt khác mô hình truyền sóng được đặc trưng bởi sự thay đổi rất nhanh của cường độ tín hiệu trong khoảng cách ngắn hoặc trong thời gian ngắn được gọi là mô hình diện hẹp hoặc mô hình fading.Trong bài viết này chúng em đề cập tới 4 mô hình truyền sóng đó là :Mô hình OKUMURAMô hình HATAMô hình COST 231Mô hình IMT 2000

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU

Chương 1 : Tổng quan các mô hình truyền thông tin di động Chương 2 : Các mô hình truyền thông tin di động

2.1 Mô hình OKURUMA

2.2 Mô hình COST 231

2.3 Mô hình IMT 2000

2.4 Mô hình HATA

Chương 3 : Mô hình HATA

3.1 Khái quát mô hình

3.2 Công thức tính suy hao

3.2.1 Mô hình HATA cho khu vực đô thị

3.2.2 Mô hình HATA cho khu vực ngoại ô

3.2.3 Mô hình HATA cho khu vực nông thôn

3.2.4 Mô hình HATA cho khu vực mở

3.3 Biểu đồ suy hao truyền sóng trong các khu vực

3.4 Hạn chế của mô hình HATA

Chương 4 : Kết luận

PHỤ LỤC

TÀI LIỆU THAM KHẢO

LỜI NÓI ĐẦU

Những năm gần đây, với sự phát triển của về kinh tế xã hôi của đất nước tốc độ hiện đại hóa tại các đô thị và đô thị hóa diễn ra mạnh mẽ Nhiều công trình cao ốc mọc lên trong các thành phố lớn,đồng thời cũng xuất hiện nhiều công trình ngầm, công trình có cấu trúc phức tạp như tòa nhà văn phòng, khách sạn, chung cư cao cấp … Tại các công trình này có yêu cầu lớn về thông tin và lưu lượng thông tin Yêu cầu cao về chất lượng phục vụ của hệ thống nói chung và thông tin vô tuyến di động nói riêng.

Tuy nhiên, do đặc điểm phức tạp của cấu trúc công trình cùng với sự thiếu đồng bộ khi xây dựng công trình chưa tính đến các yếu tố phủ sóng di động nên tín hiệu di động kém,tồn tại nhiều điểm mù sóng, chuyển giao, chất lượng cuộc gọi thấp… Với các lí do trên, việc xây dựng hệ thông phủ sóng trong công trình này đảm bảo chất lượng phục vụ của mạng di động

là hết sức cần thiết.

Hầu hết các hệ thống di động hoạt động ở khu vực đô thị không có đường truyền trực tiếp từ máy phát đến máy thu và tại những nơi có các cao ốc gây ra suy hao do nhiễu xạ rất lớn Do có nhiều hiện tượng phản xạ từ nhiều vị trí nên sóng điện từ đến máy thu từ nhiều đường có chiều dài khác nhau gây ra giao thoa lẫn nhau gọi là fading đa đường và làm giảm cường độ sóng.

Các mô hình truyền sóng thường tập trung vào việc ước tính mức tín hiệu thu trung bình với cự ly tính từ máy phát cũng như sự thay đổi tín hiệu trong không gian gần vị trí đang xét.

Việc tính cường độ trung bình của tín hiệu nhằm xác định vùng phủ sóng của máy phát được gọi là mô hình diện rộng (large scale) với khoảng cách từ vài trăm đến vài ngàn mét.

Mặt khác mô hình truyền sóng được đặc trưng bởi sự thay đổi rất nhanh của cường độ tín hiệu trong khoảng cách ngắn hoặc trong thời gian ngắn được gọi là mô hình diện hẹp hoặc mô hình fading.

Trong bài viết này chúng em đề cập tới 4 mô hình truyền sóng đó là :

Mô hình OKUMURA

Mô hình HATA

Mô hình COST 231

Mô hình IMT 2000

Do chưa có kinh nghiệm nên bản báo cáo còn nhiều thiếu xót, rất mong nhận được lời góp ý

từ quý thầy cô và bạn đọc.

Xin chân thành cảm ơn

Nhóm sinh viên

Chương 1 : Tổng quan các mô hình truyền thông tin di động

Trong quá trình phân tích sự lan truyền sóng vô tuyến của hệ thống thông tin di động, một tham số được quan tâm nhất là suy hao đường truyền

Số đo suy hao đường truyền là hiệu số giữa công suất phát và cường độ trường trung bình của tín hiệu thu được.

Cường độ trường của tín hiệu thu được là số đo biên độ tín hiệu tương đối tại tần số sóng mang phát Cường độ trường tại các vị trí máy thu di động thăng giáng dưới tác động của nhiều hiện tượng đa đường Các đặc tính và độ không đều của địa hình và các vật tán xạ dọc theo đường lan truyền có xu hướng phân tán năng lượng sóng tới, góp phần vào tổng suy hao đường truyền

Tùy theo từng vùng, sự khác nhau về địa hình và các đặc tính của các vật tán xạ nên các suy hao đường truyền sẽ khác nhau Khi dự đoán suy hao đường truyền cho một môi trường vô tuyến di động chúng ta luôn phải quan tâm tới các yếu tố này

Suy hao đường truyền là suy hao cơ bản trong quá trình truyền dẫn phụ thuộc tần số, khoảng cách truyền song và môi trường truyền sóng Vì vậy để tính toán suy hao đường truyền cần phải có các mô hình tính toán suy hao phù hợp như các mô hình tính toán suy hao thường dùng là mô hình OKUMARA , mô hình HATA, mô hình COST 231, mô hình IMT 2000

• Mô hình Okumura tính toán một cách hệ thống đối với các loại địa hình khác nhau và các môi trường khác nhau.

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

• Mô hình Hata được xây dựng dựa trên suy hao đường truyền giữa các anten isotropic.

Chương 2 : Các mô hình truyền thông tin di động

2.1 MÔ HÌNH OKUMURA

Okumura và các cộng sự của mình đã thực hiện một loạt các đo đạc mở rộng bên trong

và xung quanh thành phố Tokyo tại các tần số lên đến 1920MHz Họ đã công bố một phương pháp dự đoán kinh nghiệm trong việc dự đoán cường độ tín hiệu Cốt lõi của phương pháp này là tổn hao đường truyền trong không gian tự do giữa các điểm quan trọng đã được xác định và được cộng với giá trị Amu (f,d), giá trị này được xác định từ hình vẽ 2.1.1

Amu (f,d) là tổn hao trung bình có quan hệ với không gian tự do trong một khu vực đô thị trên một địa hình tương đối bằng phẳng với một chiều cao hiệu dụng của anten trạm gốc h te là 200m và chiều cao anten di động hre là 3m

Amu (f,d) được miêu tả như một hàm của tần số (100 – 3000MHz) và khoảng cách tính từ trạm gốc (1-100 km) Các hệ số hiệu chỉnh phải được đưa ra để tính cho các anten không có được độ cao như các độ cao giới thiệu Và công thức cơ bản của kĩ thuật này có thể được biểu diễn như sau:

L50(dB)= LF + Amu(f,d) +Htu +Hru

Trong đó:

Htu là hệ số tăng ích chiều cao của anten trạm gốc nó được cho thấy trong hình (2.1.2) như là một hàm của chiều cao hiệu dụng của anten trạm gốc và khoảng cách;

Hru là hệ số tăng ích chiều cao của anten di động và nó được chỉ ra trên hình (2.1.3) Hình (2.2) cho thấy rằng Hru có bậc 20dB/decade ,nghĩa là công suất tín hiệu thu được tỉ lệ với hte 2 ,phù hợp với công thức truyền song trên đất phẳng Từ hình vẽ (2.1.3) thì rõ ràng rằng Hru có mối quan hệ với hre nếu hre>3m;tuy nhiên Hru chỉ thay đổi 10 dB/decade nếu hre<3m Thêm nữa, các hệ số hiệu chỉnh cũng được đưa ra, theo dạng đồ thị, để cho phép truyền sóng trên phố giống như truyền sóng trong các khu vực ngoại ô,khu vực mở (nông thôn) và

trên địa hình không đồng đều Các hệ số này đòi hỏi phải được cộng thêm hay trừ đi một cách thích hợp Ngoài ra, địa hình không đồng đều lại được chia nhỏ ra thành địa hình đồi dốc, các ngọn núi riêng lẻ, địa hình dốc nói chung và địa hình hỗn hợp đất với biển.

Hình 2.1.1: Cơ sở tổn hao đường truyền trung bình quan hệ với không gian tự do trong khu vực đô thị trên địa hình tương đối bằng phẳng (theo Okumura)

Các tham số liên quan đến địa hình cần phải được đánh giá các hệ số hiệu chỉnh biến đổi như sau:

Hình 2.1.2: Hệ số tăng ích chiều cao anten BS trong cac khu vực đô thị như là một hàm của khoảng cách (chiều cao tham khảo là 200m)

Hình 2.1.3: Hệ số tăng ích chiều cao anten di động trongg các khu vực đô thị như là một hàm của tần số và mức độ đô thị hóa (chiều cao tham khảo là 3m)

Hình 2.1.4:phương pháp tính toán chiều cao anten trạm gốc hiệu dụng

Chiều cao anten trạm gốc hiệu dụng (hte): Đây là chiều cao của anten BS trên mức đất trung bình được tính trên khoảng cách từ 3-15km (hoặc nhỏ hơn nếu khoảng cách nhỏ hơn 15km) theo hướng tới máy thu.

Chiều cao nhấp nhô của địa hình (Δh): Đây là tham số nói lên sự không đồng đều của địa hình được định nghĩa là chiều cao không đồng đều được đưa ra trên khoảng cách 10km từ máy thu theo hướng tới máy phát.

Chiều cao đỉnh núi: Nếu đường truyền song bao gồm có một quả núi chắn thì chiều cao

đo được của nó có quan hệ với mức đất trung bình giữa nó với trạm gốc.

Độ dốc trung bình: Nếu mặt đất là dốc nói chung thì góc θ (có thể âm hoặc dương) được đo trên khoảng cách từ 5-10km.

Tham số đường truyền biển – đất hỗn hợp: Đây là phần trăm của tổng chiều dài đường truyền được bao phủ bởi nước.

Mô hình Okumura là một mô hình được sử dụng rộng rãi Nó được sử dụng như là một tiêu chuẩn so sánh cho các mô hình khác,từ lúc đó thì nó được sử dụng cho sự biến đổi mạnh của đường truyền vô tuyến không chỉ cho khu vực đô thị mà nó còn cho các kiểu địa hình khác nhau nữa Mô hình này cũng được sử dụng cho máy tính một cách dễ dàng.

2.2 MÔ HÌNH COST 231- WALFISCH-IIKEGAMI

COST 231 đề xuất hơn nữa một kết hợp giữa các mô hình Walfisch va IIkegani Mô hình này hình thành dựa trên các đóng góp khác nhau của các thành viên trong “Nhóm nghiên cứu các mô hình truyền sóng của dự án COST 231”,được gọi là mô hình COST-Walfisch-Ikegami (COST-WI) Mô hình này cho phép ước lượng tổn hao đường truyền kỹ hơn thông qua việc xét nhiều dữ liệu đặc tả môi trường đô thị hơn bao gồm:

- Độ cao của các tòa nhà

- Độ rộng của các con đường w.

- Giãn cách các tòa nhà b.

- Hướng đường phố so với đường truyền vô tuyến trực tiếp φ.

Các tham số của mô hình này được định nghĩa trên các hình vẽ 2.2.1 và 2.2.2 Tuy nhiên các mô hình này chỉ là mô hình thống kê mà không phải là mô hình hiển thị tiền định vì chỉ

những giá trị đặc trưng mới có thể được chèn vào và không một cơ sở dữ liệu về địa hình của những tòa nhà nào được xét đến.

Hình 2.2.1 Tình trạng truyền sóng điển hình ở các khu vực đô thị và định nghĩa các

tham số dùng trong mô hình COST-WI và các mô hình kiểu Walfisch khác.

Mô hình COST-Walfisch-Ikegami phân biệt giữa các tình huống truyền LOS và NLOS Trong trường hợp LOS (giữa các ăng-ten trạm gốc và máy di động nằm trong một hẻm phố), dựa trên các đo lường ở thành phố stockholm,một công thức tổn hao đường truyền đơn giản khác với tổn hao trong không gian tự do sẽ được áp dụng:

(dB)=42,6+26log(d/km)+20log(f/MHz) với d20m (2.2.4)

Trong đó, hằng số đầu tiên được xác định sao cho bằng tổn hao không gian tự do ở d=20m

Trong trường hợp NLOS, tổn hao đường truyền cơ bản bao gồm tổn hao không gian tự

do , tổn hao do nhiễu xạ đa màn che , và tổn hao tán xạ – nhiễu xạ từ đỉnh mái nhà xuống đường phố

= (2.2.5)

Tổn hao không gian tự do được cho bởi:

(dB)=32,4+20log(d/km)+20log(f/MHz) (2.2.6)

Đại lượng mô tả sự tiếp nối của truyền lan sóng dọc theo đường truyền đa màn che xuống con phố có máy di động Việc xác định chủ yếu được dựa vào mô hình Ikegami có tính đến độ rộng và hướng phố COST 231 tuy vậy lại áp dụng hàm hướng phố khác với mô hình Ikegami:

=-169-10log+20log+ (2.2.7)

= (2.2.8)

= -

=- (2.2.9)

Hình 2.2.2 Xác định góc hướng phố φ

Công thức điện từ vô hướng của nhiễu xạ đa

màn che dẫn đến một tích phân mà với tích phan đó

Walfisch và IIkegani đã công bố một lời giải gần đúng trong trường hợp ăng-ten trạm gốc cao có chiều cao thấp hơn đỉnh của tòa nhà bằng cách sử dụng hàm số kinh nghiệm dựa trên các đo lường Chiều cao của các tòa nhà và phân cách không gian giữa chúng dọc theo đường truyền sóng radio được mô hình hóa bởi những màn hấp thụ đối với việc xác định

2.3 MÔ HÌNH IMT 2000

[Internetional Mobile Telecommunications for year 2000: Hệ thống thông tin di động toàn cầu cho năm 2000.]

2.3.1 Đặc điểm của IMT-2000 so với các hệ thống

- IMT-2000 là hệ thống toàn cầu mang tính kết hợp của nhiều hệ thống trên thế giới

- Máy đầu cuối nhỏ gọn, sử dụng đợc ở mọi nơi trên thế giới, đồng thời hỗ trợ nhiều loại máy đầu cuối khác

- Sử dụng một di tần chung trên toàn thế giới

- Có khả năng roaming trên toàn thế giới

- Hệ thống các thiết bị tương thích với tiêu chuẩn hiện tại

- Có thể cung cấp các tính năng hỗ trợ thoại và dữ liệu tiên tiến hơn các công nghệ trước

- Chất lượng dịch vụ cao hơn, đặc biệt là dịch vụ thoại

- Chất lượng và độ tích hợp cao tơng đương với mạng cố định.

2.3.2 Các tiêu chuẩn công nghệ của IMT-2000

Các hệ thống thông tin di động thứ 2 bao gốm :GSM, IS-136, IS-95 CDMA và PDC Trong quá trình thiết kế các hệ thống thông tin di động thế hệ ba, các hệ thống thế hệ 2 đã được các cơ quan tiêu chuẩn hóa của từng vùng xem xét để đưa ra các đề xuất tương thích Khuyến nghị ITU-R M.1457 đưa ra 6 tiêu chuẩn công nghệ cho giao diện truy cập vô tuyến của thành phần mặt đất của các hệ thống IMT-2000 (tên gọi mạng 3G của ITU), bao gồm :

1 IMT-2000 CDMA Direct Spread (trải phổ trực tiếp) , thường được biết dưới tên WCDMA.

2 IMT-2000 CDMA Muti-Carrier(nhiều sóng mang), đây là phiên bản 3G của hệ thống

IS-95 (hiện nay gọi là cdmaOne).

3 IMT-2000 CDMA TDD

4 IMT-2000 TDMA Single-Carrier(một sóng mang), các hệ thống thuộc nhóm này được phát triển từ hệ thống GSM hiện có lên GSM 2+ (được gọi là EDGE).

5 IMT-2000 FDMA/TDMA (thời gian tần số ), đây là hệ thống các thiết bbij kéo dài thuê bao số ở châu Âu.

6 IMT-2000 OFDMA TDD WMAN (thường được biết dưới tên WiMAX di động).

Mỗi tiêu chuẩn trong 6 tiêu chuẩn công nghệ nêu trên đều được một số công ty lớn và một

số quốc gia có nền công nghiệp điện tử, viễn thông phát triển ủng hộ và ra sức vận động Các tiêu chuẩn này cạnh tranh gay gắt với nhau trong việc chiếm lĩnh thị trường thông tin di động Trong đó có 3 công nghệ được biết đến nhiều nhất và phát triển thành công là WCDMA, CDMA 2000 1x EV-DO và WiMAX di động.

2.4 MÔ HÌNH HATA

Chương 3 : Mô hình HATA

3.1 KHÁI QUÁT MÔ HÌNH

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

Tổn hao đường truyền được mô hình hóa ở đây là đối với các vùng ngoại ô của Nhật Bản, không phù hợp lắm với các vùng ngoại ô của Bắc Mỹ.

Mô hình này được xây dựng trên suy hao đường truyền giữa các anten isotropic, nhưng

nó cũng xét đến các thông số khác như chiều cao của cột anten trạm BTS, chiều cao của anten MS Địa hình trong mô hình được giả thiết là khá bằng phẳng, không có bất thường.

3.2 CÔNG THỨC TÍNH SUY HAO

3.2.1 Mô hình HATA cho khu vực đô thị

Công thức đường suy hao truyền ở khu vực đô thị như sau:

L50(urban)(dB)= 69.55 + 26.16log fc – 13.82log(Hb) – a(Hm) + (44.9 – 6.55log Hb))log (d).

Trong đó:

fc: là từ 150 tới 15000 MHz

Hb : là chiều cao của antenna truyền đơn vị m dài từ 30 tới 200m

Hm : là chiều cao của antenna nhận đơn vị m dài từ 1 tới 10m

d : là khoảng cách T – R (km) và a (hre) là hệ số điều chỉnh chiều cao antenna di động.

Hệ số điều chỉnh có công thức như sau:

a (hre) = (1.1log fc – 0.7) hre – (1.56 log fc – 0.8) dB

*) Đối với thành phố lớn:

a (Hm) = 8.29(log 1.54 Hm) 2 – 1.1 dB khi fc <= 300MHz

a (Hm) = 3.2 (log 11.75 Hm) 2 – 4.97dB khi fc >= 300MHz

*) Dải thông số áp dụng cho mô hình Hata như sau:

150 <= f <= 2500MHz

30 <= Hb <= 200m

1 <= Hm <= 10m

1 <= d <= 20km

3.2.2 Mô hình HATA cho khu vực ngoại ô

Hata mô hình cho khu vực ngoại thành được xây dựng như sau

Ở đây

L SU = mất con đường ở vùng ngoại ô Đơn vị tính: decibel (dB)

L U = mất con đường trung bình trong khu vực đô thị cho thành phố nhỏ Đơn vị tính: decibel (dB)

f = tần số của truyền dẫn Đơn vị tính: megahertz (MHz).

3.2.3 Mô hình HATA cho khu vực nông thôn

Với vùng nông thôn hệ số hiệu chỉnh suy hao so với vùng thành phố là:

Lnt = Lp – 4,78.(lgfc) 2 +18,33(lgfc) - 40,49 (dB)

3.2.4 Mô hình HATA cho khu vực mở

Các mô hình Hata cho các khu vực mở được xây dựng như sau:

ở đây :

• L O = mất con đường trong khu vực mở Đơn vị tính: decibel (dB)

• L U = mất con đường trong khu vực đô thị cho thành phố nhỏ Đơn vị tính: decibel (dB)

• f = tần số của truyền dẫn Đơn vị tính: Megahertz (MHz).

3.3 BIỂU ĐỒ SUY HAO TRUYỀN SÓNG TRONG CÁC KHU VỰC