Tìm hiểu về kênh truyền vô tuyến

Tìm hiểu về kênh truyền vô tuyến

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

Hà Nội, 12/2016

1

LỜI NÓI ĐẦU

Trong thời đại công nghệ thông tin phát triển, việc kết nối không dây giữa các thiết bị ngày càng trở nên quan trọng Với sự ra đời của các công nghệ mới như 3G, 4G,… trong một khoảng thời gian ngắn, thông tin vô tuyến đã cho thấy sự phát triển vượt bậc cũng như các ứng dụng phong phú của nó trong lĩnh vực Điện tử - Viễn thông Để có thể bắt kịp những công nghệ mới, ngành thông tin vô tuyến phải nỗ lực không ngừng để nâng cao chất lượng, giảm thiểu chi phí,… và muốn đạt được điều đó, trước hết ta cần hiểu về mô hình kênh truyền vô tuyến và các yếu tố ảnh hưởng tới tín hiệu khi truyền trong kênh truyền vô tuyến

Trong học phần Hệ thống viễn thông, chúng em đã được tìm hiểu sơ lược về một số hệ thống thông tin như thông tin vệ tinh, thông tin vi ba,… sử dụng mô hình kênh truyền vô tuyến Được sự đồng ý của thầy Nguyễn Thành Chuyên, nhóm em

đã tìm hiểu sâu hơn về các vấn đề liên quan đến mô hình này và lựa chọn đây là đề tài để nhóm em làm bài tập lớn môn học Bài tập lớn của chúng em không thể tránh khỏi những sai sót, vì thế, chúng em kính mong thầy giáo góp ý để hoàn thiện bài tập của mình Qua đây, chúng em xin chân thành cảm ơn thầy giáo – TS Nguyễn Thành Chuyên đã tạo điều kiện và giúp đỡ chúng em hoàn thành bài tập lớn này

2

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 1

DANH SÁCH HÌNH VẼ 5

DANH SÁCH BẢNG BIỂU 7

CHƯƠNG 1: KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN 8

1.1 Khái niệm về hệ thống thông tin vô tuyến 8

1.2 Kênh truyền vô tuyến 9

1.2.1 Các dạng kênh truyền 9

1.2.1.1 Kênh truyền chọn lọc tần số và kênh truyền không chọn lọc tần số 10

1.2.1.2 Kênh truyền chọn lọc thời gian và Kênh truyền không chọn lọc thời gian 11

1.2.2 Các mô hình kênh cơ bản 11

1.2.2.1 Kênh theo phân bố Rayleigh 11

1.2.2.2 Phân bố Ricean 13

CHƯƠNG 2: CÁC VẤN ĐỀ LIÊN QUAN ĐẾN KÊNH TRUYỀN 16

2.1 Fading phẳng và chọn lọc tần số (Flat and prequency selective multipath fading) 16

2.1.1 Fading phẳng 17

2.1.2 Fading chọn lọc tần số 19

2.1.3 Biện pháp khắc phục 20

2.1.3.1 Kĩ thuật phân tập theo không gian 21

2.1.3.2 Kĩ thuật phân tập theo tần số 22

2.2 Hiện tượng đa đường (Multipath) 22

2.3 Hiệu ứng Doppler 23

3

2.4 Suy hao đường truyền (pathloss) 25

2.4.1 Định nghĩa 25

2.4.2 Free –space pathloss 25

2.4.3 Mô hình truyền tia sóng 27

2.4.3.1 Mô hình 2 tia (Two Ray - model) 28

2.4.3.2 Dielectric Canynon(Ten – ray model) 31

2.4.3.3 Mô hình tia tổng quát (General Ray Tracing – GRT) 33

2.4.5 Mô hình suy hao đường truyền đơn giản hóa 36

2.4.6 Mô hình tổn hao đường truyền thực nghiệm 38

2.4.6.1 Mô hình của Okumura 38

2.4.6.2 Mô hình Hata 39

2.5 Hiệu ứng bóng râm (Shadowing) 40

2.5.1 Shadow fading 41

2.5.2 Phối hợp Pathloss và Shadowing (Combined Path Loss and Shadowing) 44

2.5.3 Xác suất công suất đầu thu không đạt trong mô hình Path loss và Shadowing (Outage Probability under Path Loss and Shadowing) 44

2.5.4 Vùng phủ sóng của tế bào (Cell Coverage Area) 45

2.6 Mạng thông tin di động tế bào 48

2.6.1 Giới thiệu chung 48

2.6.1.1 Các nguyên lí của thông tin di động 48

2.6.1.2 Hệ thống thông tin di động tế bào 49

2.6.1.3 Cấu trúc hệ thống thông tin tế bào 50

2.6.1.4 Phân loại Cell 54

2.6.2 Indoor/ Outdoor Microcells 54

4

2.6.2.1 Outdoor Microcells 54

2.6.2.1.1 Highway Microcells [22] 55

2.6.2.1.2 City Street Microcell 56

2.6.2.2 Indoor Microcells 57

CHƯƠNG 3: KẾT LUẬN 60

TÀI LIỆU THAM KHẢO 61

5

DANH SÁCH HÌNH VẼ

Hình 1.1 Sơ đồ khối chức năng hệ thống truyền 8

Hình 1.2 Mô hình hệ thống thông tin vô tuyến 9

Hình 1.3: Kênh truyền chọn lọc tần số (f0 <W) 10

Hình 1.4: Kênh truyền không chọn lọc tần số (f0) 10

Hình 1.5: Hàm mật độ xác suất của phân bố Rayleigh 13

Hình 1.6: Hàm mật độ xác suất của phân bố Ricean: 15

Hình 2.1: Đặc trưng kênh Fading phẳng 18

Hình 2.2 Đặc trưng kênh Fading lựa chọn tần số 19

Hình 2.3: Hiện tượng truyền sóng đa đường 23

Hình 2.4: Hàm truyền đạt của kênh 24

Hình 2.5: Mật độ phổ của tín hiệu thu 25

Hình 2.6 Thành phần sóng phản xạ, nhiễu xạ và tán xạ 27

Hình 2.7 Mô hình 2 tia 29

Hình 2.8 Năng lượng nhận được theo khoảng cách ở mô hình 2 tia 31

Hình 2.9 Mô Hình 10 tia khi nhìn từ trên cao 32

Hình 2.10 Nhiễu xạ cạnh dao của Fresnel 34

Hình 2.11 Sự tán xạ 35

Hình 2.11 Suy hao đường truyền, hiệu ứng bóng râm và đa đường theo khoảng cách 41

Hình 2.12 Giới hạn công suất nhận được 46

Hình 2.13 Hệ thống thông tin di động đời đầu 49

Hình 2.14 Hệ thống thông tin di động sử dụng cấu trúc tế bào 50

Hình 2.15 Cluster gồm 7 cell 51

6

Hình 2.16 Tái sử dụng tần số 52

Hình 2.17 Quá trình phân chia cell 53

Hình 2.18 Quá trình Handoff 54

Hình 2.19 Các nhóm tế bào đường cao tốc (Highway Microcellular Clusters) 55

Hình 2.20 Mức tín hiệu thu 56

Hình 2.21 Mức tín hiệu nhận cho mô hình hai đường và bốn đường 57

7

DANH SÁCH BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 Hệ số tổn hao đương truyền γ 37

8

CHƯƠNG 1: KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN

Các phương tiện thông tin nói chung được chia thành hai phương pháp thông tin cơ bản, đó là thông tin vô tuyến và thông tin hữu tuyến Mạng thông tin vô tuyến ngày nay đã trở thành một phương tiện thông tin chủ yếu, thuận tiện cho cuộc sống hiện đại

Hình 1.1 Sơ đồ khối chức năng hệ thống truyền

Trong mạng thông tin vô tuyến ngoài nguồn tin và nhận tin thì kênh truyền là một trong ba khâu quan trọng nhất, và có cấu trúc tương đối phức tạp Nó là môi trường để truyền thông tin từ máy phát đến máy thu Vì thế chương này tìm hiểu các thông tin về kênh truyền: Đó là, các hiện tượng ảnh hưởng đến kênh truyền, các dạng kênh truyền và các mô hình kênh truyền cơ bản Ngoài ra chương này còn giới thiệu khái quát về hệ thống thông tin vô tuyến

1.1 Khái niệm về hệ thống thông tin vô tuyến

Hình 1.2 thể hiện một mô hình đơn giản của một hệ thống thông tin vô tuyến Nguồn tin trước hết qua mã hoá nguồn để giảm các thông tin dư thừa, sau đó được

mã hoá kênh để chống các lỗi do kênh truyền gây ra Tín hiệu sau khi qua mã kênh được điều chế để có thể truyền tải đi xa Các mức điều chế phải phù hợp với điều kiện của kênh truyền Sau khi tín hiệu được phát đi ở máy phát, tín hiệu thu được ở máy thu sẽ trải qua các bước ngược lại so với máy phát Kết quả tín hiệu được giải

mã và thu lại được ở máy thu Chất lượng tín hiệu thu phụ thuộc vào chất lượng kênh truyền và các phương pháp điều chế và mã hoá khác nhau Do đó ngày nay các

kỹ thuật mới ra đời nhằm cải thiện chất lượng kênh truyền nói riêng và mạng vô tuyến nói chung, một trong những kỹ thuật đó là MC-CDMA

9

Hình 1.2 Mô hình hệ thống thông tin vô tuyến

1.2 Kênh truyền vô tuyến

Chất lượng của các hệ thống thông tin phụ thuộc nhiều vào kênh truyền, nơi

mà tín hiệu được truyền từ máy phát đến máy thu Không giống như kênh truyền hữu tuyến là ổn định và có thể dự đoán được, kênh truyền vô tuyến là hoàn toàn ngẫu nhiên và không hề dễ dàng trong việc phân tích Tín hiệu được phát đi, qua kênh truyền vô tuyến, bị cản trở bởi các toà nhà, núi non, cây cối …, bị phản xạ, tán

xạ, nhiễu xạ…, các hiện tượng này được gọi chung là fading Và kết quả là ở máy thu, ta thu được rất nhiều phiên bản khác nhau của tín hiệu phát Điều này ảnh hưởng đến chất lượng của hệ thống thông tin vô tuyến Do đó việc nắm vững những đặc tính của kênh truyền vô tuyến là yêu cầu cơ bản để có thể chọn lựa một cách thích hợp các cấu trúc của hệ thống, kích thước của các thành phần và các thông số tối ưu của hệ thống

1.2.1 Các dạng kênh truyền

Tùy theo đáp ứng tần số của kênh truyền và băng thông của tín hiệu phát mà ta có:

10

 Kênh truyền chọn lọc tần số và kênh truyền không chọn lọc tần số

 Kênh truyền chọn lọc thời gian và kênh truyền không chọn lọc thời gian

1.2.1.1 Kênh truyền chọn lọc tần số và kênh truyền không chọn lọc tần số

Mỗi kênh truyền đều tồn tại một khoảng tần số mà trong khoảng đó, đáp ứng tần số của kênh truyền là gần như nhau tại mọi tần số (có thể xem là phẳng), khoảng tần số này được gọi là Coherent Bandwidth và được ký hiệu trên Hình 1.3 là f0

Hình 1.3: Kênh truyền chọn lọc tần số (f0 <W)

Trên Hình 1.3, ta nhận thấy kênh truyền có f0 nhỏ hơn nhiều so với băng thông của tín hiệu phát Do đó, tại một số tần số trên băng tần, kênh truyền không cho tín hiệu đi qua, và những thành phần tần số khác nhau của tín hiệu được truyền đi chịu

sự suy giảm và dịch pha khác nhau Dạng kênh truyền như vậy được gọi là kênh truyền chọn lọc tần số

Hình 1.4: Kênh truyền không chọn lọc tần số (f0)

11

Ngược lại, trên Hình 1.4, kênh truyền có f0 lớn hơn nhiều so với băng thông của tín hiệu phát, mọi thành phần tấn số của tín hiệu được truyền qua kênh chịu sự suy giảm và dịch pha gần như nhau Chính vì vậy, kênh truyền này được gọi là kênh truyền không chọn lọc tần số hoặc kênh truyền fading phẳng

1.2.1.2 Kênh truyền chọn lọc thời gian và Kênh truyền không chọn lọc thời gian

Kênh truyền vô tuyến luôn thay đổi liên tục theo thời gian, vì các vật chất trên đường truyền luôn thay đổi về ví trí, vận tốc…, luôn luôn có những vật thể mới xuất hiện và những vật thể cũ mất đi… Sóng điện từ lan truyền trên đường truyền phản

xạ, tán xạ … qua những vật thể này nên hướng, góc pha, biên độ cũng luôn thay đổi theo thời gian

Tính chất này của kênh truyền được mô tả bằng một tham số, gọi là coherent time Đó là khoảng thời gian mà trong đó, đáp ứng thời gian của kênh truyền thay đổi rất ít (có thể xem là phẳng về thời gian)

Khi ta truyền tín hiệu với chu kỳ ký hiệu (symbol duration) rất lớn so với coherent time thì kênh truyền đó được gọi là kênh truyền chọn lọc thời gian Ngược lại, khi ta truyền tín hiệu với chu kỳ ký hiệu (symbol duration) rất nhỏ so với coherent time thì kênh truyền đó là được gọi là kênh truyền không chọn lọc thời gian hay phẳng về thời gian

1.2.2 Các mô hình kênh cơ bản

1.2.2.1 Kênh theo phân bố Rayleigh

Trong những kênh vô tuyến di động, phân bố Rayleigh thường được dùng để

mô tả bản chất thay đổi theo thời gian của đường bao tín hiệu fading phẳng thu được hoặc đường bao của một thành phần đa đường riêng lẻ Chúng ta biết rằng đường bao của tổng hai tín hiệu nhiễu Gauss trực giao tuân theo phân bố Rayleigh Phân bố Rayleigh có hàm mật độ xác suất:

(2

exp)

r

r r

r r

(



R dr

r p R r P R

(]

2 2

4292.02

22

)(]

0

177.1)

(2

1



13

Hình 1.5: Hàm mật độ xác suất của phân bố Rayleigh

Vì vậy giá trị mean và median chỉ khác nhau môt lượng là 0.55dB trong trường hợp tín hiệu Rayleigh fading Chú ý rằng giá trị median thường được sử dụng trong thực tế vì dữ liệu Rayleigh fading thường được đo trong những môi trường mà chúng ta không thể chấp nhận nó tuân theo một phân bố đặc biệt nào Bằng cách sử dụng giá trị median thay vì giá trị trung bình, chúng ta dễ dàng so sánh các phân bố fading khác nhau (có giá trị trung bình khác nhau) Hình 1.5 minh họa hàm mật độ xác suất Rayleigh

1.2.2.2 Phân bố Ricean

Trong trường hợp fading Rayleigh, không có thành phần tín hiệu đến trực tiếp máy thu mà không bị phản xạ hay tán xạ (thành phần light-of-sight) với công suất vượt trội Khi có thành phần này, phân bố sẽ là Ricean Trong trường hợp này, các thành phần đa đường ngẫu nhiên đến bộ thu với những góc khác nhau được xếp chồng lên tín hiệu light-of-sight Tại ngõ ra của bộ tách đường bao, điều này có ảnh hưởng như là cộng thêm thành phần dc vào các thành phần đa đường ngẫu nhiên Giống như trong trường hợp dò sóng sin trong khi bị nhiễu nhiệt, ảnh hưởng của tín hiệu light-of-sight (có công suất vượt trội) đến bộ thu cùng với các tín hiệu đa

14

đường (có công suất yếu hơn) sẽ làm cho phân bố Ricean rõ rệt hơn Khi thành phần light-of-sight bị suy yếu, tín hiệu tổng hợp trông giống như nhiễu có đường bao theo phân bố Rayleigh Vì vậy, phân bố bị trở thành phân bố Rayleigh trong trường hợp thành phần light-of-sight mất đi

Hàm mật độ phân bố xác suất của phân bố Ricean:

)0,0()

( 2 0 2

) ( 2

2 2 2

r

r A

Ar I e

r r

p

A r







A: Biên độ đỉnh của thành phần light-of-sight

Io: Là hàm Bessel sửa đổi loại 1 bậc 0

Phân bố Ricean thường được mô tả bởi thông số k được định nghĩa như là tỉ số giữa công suất tín hiệu xác định (thành phần light-of-sight) và công suất các thành phần đa đường:

2 2



k xác định phân bố Ricean và được gọi là hệ số Ricean

Khi A → 0, k 0 ( dB) thành phần light-of-sight bị suy giảm về biên độ, phân bố Ricean trở thành phân bố Rayleigh Hình 1.6 mô tả hàm mật độ xác suất của phân bố Ricean



15 Hình 1.6: Hàm mật độ xác suất của phân bố Ricean:

k = dB (Rayleigh) và k = 6 dB Với k >>1, giá trị trung bình

16

CHƯƠNG 2: CÁC VẤN ĐỀ LIÊN QUAN ĐẾN KÊNH TRUYỀN

Như đã biết, tín hiệu truyền từ bên phát đến bên thu thông qua kênh vô tuyến

sẽ chịu ảnh hưởng rất nhiều từ môi trường xung quanh, làm bên thu không chỉ thu được 1 tín hiệu mà rất nhiều tín hiệu khác nhau Và việc tính toán các tín hiệu này là không thể bỏ qua

Vì vậy, ở chương này, chúng ta sẽ tập trung làm rõ ảnh hưởng của một số yếu

tố tác động tới tín hiệu khi truyền trên kênh truyền vô tuyến bao gồm:

 Fading

 Hiện tượng đa đường (Multipath)

 Hiệu ứng Doppler

 Suy hao đường truyền (Pathloss)

 Hiệu ứng bóng râm (Shadowing)

Ngoài ra, chúng ta sẽ tóm lược một số vấn đề liên quan đến mạng thông tin di động

 Sự thăng giáng của tầng điện li đối với hệ thống sóng ngắn

 Sự hấp thụ gây ra bởi các phân tử khí, hơi nước, nước mưa, sương mù… sự hấp thụ này phụ thuộc vào dải tần số làm việc đặc biệt là dải tần số cao ( >10 Ghz)

 Sự khúc xạ gây ra bởi sự không đồng đều của mật độ không khí

 Sự phản xạ sóng từ bề mặt trái đất, đặc biệt trong trường hợp là bề mặt nước

và sự phản xạ sóng từ các bất đổng nhất trong khí quyển Đây là một yếu tố dẫn đến

sự truyền lan đa đường

17

 Sự phản xạ,tán xạ và nhiễu xạ từ các chướng ngại vật trên đường lan truyền sóng điện từ gây nên hiện tượng trải trễ và giao thoa sóng tại điểm thu đo tín hiệu nhận được là tổng của rất nhiều tín hiệu truyền theo nhiều đường.Hiện tượng này đặc biệt quan trọng trong thông tin di dộng Và ta sẽ nghiên cứu về hiện tượng này

Các loại Fading:

 Ảnh hưởng do trễ đa đường :

 Fading phẳng ( flat fading)

do mưa gần như là xem không có chọn lọc theo tần số

 Tín hiệu nhận được thay đổi nhưng đặc tính quang phổ truyền tải của tín hiệu được bảo tồn theo thời gian

18

Hình 2.1: Đặc trưng kênh Fading phẳng

 Kênh fading phẳng còn được gọi là kênh khác nhau biên độ và các kênh băng hẹp ( Băng thông của tín hiệu là hẹp so với băng thông của kênh )

=> Kết luận: Một tín hiệu được coi là chịu ảnh hưởng của Fading phẳng nếu:

Bs<<Bc và Ts>>στ

Trong đó :

 RMS trễ lan truyền =στ = độ lệch chuẩn của PDP (RMS: Root Mean Square, PDP: Power Delay Profile nghĩa là đặc tính cường độ trễ)

 Bs: Băng thông của tín hiệu truyền (Bandwidth of the transmitted signal)

 Bc: Băng thông kết hợp (Coherent Bandwidth)

 TS: là thời gian symbol, tức là TS =1/BS

Nguyên nhân gây ra Fading phẳng do truyền dẫn đa đường:

 Hình thành do phản xạ tại các chướng ngại cũng như sự thay đổi của độ khúc

xạ của khí quyển cường độ trường thu được ở đầu thu bị suy giảm và di chuyển trong quá trình truyền dẫn

19

 Trong các hệ thống chuyển tiếp số LOS (Line- Of-Sight), sự biến thiên của

độ khúc xạ là nguyên nhân chủ yếu dẫn đến hiện tượng truyền dẫn đa đường mà kết quả của nó là tổn hao Fading thay đổi theo tần số Tuy nhiên, hệ thống có băng tín hiệu nhỏ nên tín hiệu suy hao Fading đa đường là nhỏ nên có thể bỏ qua và Fading

đa đường được xem là Fading phẳng

 Đối với Fading đa đường, việc thực hiện được đánh giá bằng đo công suất tín hiệu thu được tại một tần số trong băng tín hiệu Đặc trưng thống kê của Fading phẳng đa đường là phân bố thời gian Fading vượt quá một mức nào đó

2.1.2 Fading chọn lọc tần số

Xảy ra khi băng thông của tín hiệu lớn hơn băng thông của kênh truyền Do

đó hệ thống tốc độ vừa và lớn có độ rộng băng tín hiệu lớn ( lớn hơn độ rộng của kênh) sẽ chịu nhiều tác động

Nguyên nhân gây ra do thời gian phân tán của việc truyền các ký hiệu (symbol) trong kênh, ở nơi mà nhận được tín hiệu với độ trễ lớn và suy hao của tín hiệu tuyền.Gây ra sự can thiệp liên ký tự

Hình 2.2 Đặc trưng kênh Fading lựa chọn tần số

 Tín hiệu được coi là chịu ảnh hưởng của Fading lựa chọn tần số nếu:

 BS>BC và TS<στ

20

 Ta có quy tắc: kênh có ảnh hưởng của Fading lựa chọn tần số nếu TS ≤ 10στ

 Đối với toàn bộ băng thông kênh truyền thì nó ảnh hưởng không đều, chỗ nhiều, chỗ ít, chỗ làm tăng, chỗ làm giảm cường độ của tín hiệu Loại này chủ yếu

do fading đa đường gây ra

 Tác hại lớn nhất của Fading lựa chọn tần số là gây nhiễu lên kí tự-ISI Fading lựa chọn tần số tác động lên các tần số khác nhau ( trong cùng băng tần của tín hiêu)

là khác nhau, do đó việc dự trữ như Fading phẳng là không thể Do đó để khắc phục

 Sử dụng mã sửa lỗi để giảm BER (vốn có thể lớn do fading chọn lọc tần số gây ra)

 Trải phổ tín hiệu : Fading chọn lọc tần số thường do hiện tượng truyền dẫn đa đường gây nên, trải phổ chuỗi trực tiếp nhất là với các máy thu RAKE,

có khả năng tách các tia sóng và tổng hợp chúng lại, loại bỏ ảnh hưởng của hiện tượng truyền dẫn đa đường

 Sử dụng điều chế đa sóng mang mà tiêu biểu là OFDM

2.1.3 Biện pháp khắc phục

Ta sẽ đi tìm hiểu chi tiết một biện pháp quan trọng ,phổ biến dùng để giảm ảnh hưởng của Fading (Fading phẳng và Fading lựa chọn tần số đa đường) và nâng cao chất lượng của tín hiệu thu đó là biện pháp phân tập (Diversity)

Kĩ thuật phân tập bao gồm phân tập tần số và phân tập không gian

Việc sử dụng nhiều hơn một anten, hay tần số để thu phát một tín hiệu sẽ giúp cho việc tổng hợp lại tín hiệu ở đầu thu được tốt hơn, thông tin thu được sẽ chính

21

xác hơn, nhưng nhược điểm sẽ là nguồn tài nguyên không gian và tần số cần phải sử dụng nhiều hơn, tốn kém hơn

2.1.3.1 Kĩ thuật phân tập theo không gian

Là kĩ thuật thu hoặc phát một tín hiệu trên 2 hay nhiều anten với cùng một tần

số vô tuyến Khoảng cách giữa các anten của máy phát và máy thu phải được tính toán sao cho các tín hiệu riêng biệt thu được không tương quan với nhau Thực tế thì sẽ không đạt được trạng thái lý tưởng này do đó ta phải tính toán sao cho hệ số tương quan của các tin hiệu thu là nhỏ nhất có thể

Công thức biểu thị hệ số tương quan không gian theo khoảng cách:

ρ = exp [-0,0021.s.f.(0,4d)1/2]

Trong đó, s[m] là khoảng cách giữa 2 anten thu ( hoặc 2 anten phát), f[GHz] là tần

số hoạt động của sóng mang vô tuyến, d[km] khoảng cách truyền dẫn

Thực nghiệm cho thấy, ta phải chọn khoảng cách giữa 2 anten sao cho hệ số tương quan không gian không vượt quá 0,6

Hệ số cải thiện phân tập theo không gian:

= 100

10

40

Trong đó, s[m] là khoảng cách giữa 2 anten, f[GHz] là tần số sóng mang vô tuyến,

ar là hệ số khuếch đại điện áp tương đối của anten phân tập so với anten chính, d[Km] là khoảng cách truyền dẫn, Fm là độ dự trữ Fading phẳng

Khi không thể tìm được vị trí tốt nhất giữa 2 anten bằng các phương pháp

mô phỏng , thì khoảng cách giữa 2 anten phải lớn hơn 150 Đây là thông số gần đúng cho một tuyến truyền dẫn có chiều dài từ 20 đến 70 km và hoạt động trên dải tần từ 2 đến 11GHz

22

2.1.3.2 Kĩ thuật phân tập theo tần số

Là kĩ thuật thu hoặc phát một tín hiệu trên hai hay nhiều kênh ( tần số sóng vô tuyến ) khác nhau

Hệ số cải thiện phân tập theo tần số:

Trong đó, f[GHz] là tần số trung tâm của băng tần, d[km] là độ dài của đường truyền, Δf/f[%] là khoảng cách tần số tương đối, FM[dB] là độ dự trữ Fading Công thức trên sử dụng cho hệ thống anten hoạt động ở tần số 2-11GHz, khoảng cách d từ

2.2 Hiện tượng đa đường (Multipath)

Trong một hệ thống thông tin vô tuyến, các sóng bức xạ điện từ thường không bao giờ được truyền trực tiếp đến anten thu Điều này xẩy ra là do giữa nơi phát và nơi thu luôn tồn tại các vật thể cản trở sự truyền sóng trực tiếp Do vậy, sóng nhận được chính là sự chồng chập của các sóng đến từ hướng khác nhau bởi sự phản xạ, khúc xạ, tán xạ từ các toà nhà, cây cối và các vật thể khác Hiện tượng này được gọi

là sự truyền sóng đa đường (Multipath propagation) Do hiện tượng đa đường, tín hiệu thu được là tổng của các bản sao tín hiệu phát Các bản sao này bị suy hao, trễ, dịch pha và có ảnh hưởng lẫn nhau Tuỳ thuộc vào pha của từng thành phần mà tín hiệu chồng chập có thể được khôi phục lại hoặc bị hư hỏng hoàn toàn Ngoài ra khi truyền tín hiệu số, đáp ứng xung có thể bị méo khi qua kênh truyền đa đường và nơi thu nhận được các đáp ứng xung độc lập khác nhau Hiện tương này gọi là sự phân

Giả thiết góc tới của tuyến n so với hướng chuyển động của máy thu là αn, khi

đó tần số Doppler của tuyến này là [5]:

 

D f cosαc

Hình 2.4: Hàm truyền đạt của kênh

Giả thiết tín hiệu đến máy thu bằng nhiều luồng khác nhau với cường độ ngang hàng nhau ở khắp mọi hướng, khi đó, phổ tín hiệu thu được biểu diễn lại ở Hình 2.5

Mật độ phổ tín hiệu thu bị ảnh hưởng bởi hiệu ứng Doppler do Jake tìm ra năm 1974 Và được gọi là phổ Jake Ý nghĩa của phổ tín hiệu này được giải thích như sau: Giả thiết tín hiệu phát đi ở tần số sóng mang f0, khi đó tín hiệu thu được sẽ không nhận được ở chính xác trên tần số sóng màng f0 mà bị dịch đi cả về hai phía với độ dịch là fD,max như Hình ở 2.5 Sự dịch tần số này ảnh hưởng đến sự đồng bộ của nhiều hệ thống

25

Hình 2.5: Mật độ phổ của tín hiệu thu

2.4 Suy hao đường truyền (pathloss)

2.4.1 Định nghĩa

Path loss là sự suy giảm mật độ năng lượng sóng điện từ khi lan truyền trong không gian Pathloss là 1 yếu tố quan trọng cần chú ý khi ta phân tích và thiết kế 1

hệ thống viễn thông

2.4.2 Free –space pathloss

Các kênh truyền sóng không dây đặt ra một vai trò quan trọng, đó là một phương tiện giao tiếp tốc độ cao với độ tin cậy tốt Tổn thất đường tryền(pathloss)

là do sự bức xạ năng lượng của máy phát cũng như ảnh hưởng của các kênh truyền

Suy hao trong không gian tự do:

Xét 1 tín hiệu được truyền đi trong không gian tự do đến nơi nhận với khoảng cách d

Giả sử trên đường truyền không có vật cản và tín hiệu được truyền theo đường thằng Các mô hình kênh kết hợp với đường truyền này được gọi là 1 kênh nhìn thấy trực tiếp(LOS) Các tin hiệu nhận được tương ứng được gọi là tín hiệu hay tia LOS

26

Kết quả tín hiệu thu được:

( ) = ℜ

Ở đây, là kết quả của anten truyền và anten nhận bức xạ theo hướng LOS

Sự dịch pha e-j(2πd/λ) là do khoảng cách truyển sóng d

Công suất truyền tín hiệu s(t) là Pt , do đó, tỷ lệ nhận được công suất truyền tính từ công thức 2.6 là:

Như vậy, tỷ lệ công suất tín hiệu nhận được tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa anten phát và anten nhận Chúng ta sẽ thấy trong phần tiếp theo cho các mô hình lan truyền tín hiệu khác, công suất tín hiệu giảm đi nhanh chóng so với khoảng cách Công suất tín hiệu nhận được cũng tỷ lệ thuận với bình phương của bước sóng tín hiệu Do đó, tần số sóng mang tăng thì công suất tín hiệu nhận được lại giảm Sự phụ thuộc của công suất tín hiệu nhận được với bước sóng λ là do diện tích mà anten thu nhận được tín hiệu [1] Tuy nhiên, độ khuếch đại của anten

có định hướng cao có thể tăng tần số Tuy nhiên, để nhận được công suất thực sự,

có thể tăng tần số phát ở các đường định hướng cao

Công suất tín hiệu nhận có thể được thể hiện bằng công thức sau:

( ) = −

27

2.4.3 Mô hình truyền tia sóng

Trong môi trường đô thị hoặc môi trường trong nhà điển hình, 1 tín hiệu sóng radio được truyền từ 1 nguồn cố định sẽ gặp phải nhiều vật cản tạo ra các tia phản

xạ, khúc xạ, nhiễu xạ hoặc các bản sao tín hiệu , được thể hiện như Hình 2.6:

Hình 2.6 Thành phần sóng phản xạ, nhiễu xạ và tán xạ [2]

Giả định một số hữu hạn các phản xạ với các vị trí đã biết và môi trường điện môi Các thành phần của mô hình kênh truyền đa đường có thể được biểu diễn bằng phương trình Maxwell với điều kiện biên phù hợp Tuy nhiên, sự phức tạp tính toán của giải pháp này làm cho nó không thực tế như một công cụ mô hình chung Như vậy, sự phản xạ, nhiễu xạ và các hiệu ứng tán xạ trên đầu sóng được xấp xỉ bằng các phương trình Hình học thay vì sự phức tạp của phương trình Maxcell Các lỗi xảy ra

là nhỏ nhất khi khoảng cách từ thiết bị thu đến trạm phát sóng gần nhất bằng nhiều lần bước sóng

Nếu máy phát, máy thu và vật phản xạ, tất cả là cố định thì tác động của những đường tín hiệu nhận được và độ trễ của chúng liên quan đến con đường LOS,

đã được sửa Tuy nhiên, nếu nguồn phát hay thiết bị nhận không cố định, các đặc tính của đường truyền sẽ biến đổi theo thời gian Những biến thể thời gian là xác định khi số lượng, vị trí và đặc điểm của các điểm phản xạ được biết theo thời gian Nếu không, các mô hình thống kê phải đã được dung Tương tự, nếu như số lượng các phản xạ là rất lớn, hoặc về mặt phản xạ không tốt, thì chúng ta cần phải sử dụng các thống kê xấp xỉ để mô tả các tín hiệu nhận được

28

Mô hình Ray tracing cơ bản nhất bao gồm tất cả suy hao, nhiễu xạ và các thành phần tán xạ đa đường Mô hình này sử dụng tất cả các tính chất hình học và thông số điện môi của môi trường xung quanh máy phát và máy thu

Các phần sau đây mô tả một số mô hình Ray Tracing với độ phức tạp tăng dần Chúng ta bắt đầu với 1 mô hình 2 đường đơn giản có thể dự đoán dự biến đổi tín hiệu với đường truyền thẳng trực tiếp LOS Mô hình này đặc trưng cho khuc vực

cô lập như vùng nông thôn, đường giao thông hay đường cao tốc Nó không phải là

mô hình điển hình cho môi trường trong nhà Sau đó, chúng ta trình bày 1 mô hình

10 tia phản xạ có thể dự đoán các biến thể của một lan truyền dọc theo 1 đường thằng hoặc hành lang Mô hình 2 tia chỉ yêu cầu thông tin về chiều cao anten trong khi mô hình 10 tia cần thông tin về chiều cao anten, đường phố, các thông tin chi tiết về hình học, điện môi của môi trường, phản xạ và tán xạ trong môi trường

2.4.3.1 Mô hình 2 tia (Two Ray - model)

Mô hình 2 tia được sử dụng khi có 1 tín hiệu duy nhất phản xạ xuống mặt đất chi phối các hiệu ứng đa đường

Tia LOS nhận được được xác định bởi công thức tính suy hao trong không gian tự do(2.6) Các tia phản xạ thể hiện như Hình 2.7 với các đoạn x và x’ Nếu chúng ta bỏ qua ảnh hưởng của suy giảm sóng bề mặt, tín hiệu nhận được cho mô hình 2 tia (two-ray):

= là hệ số tăng ích của anten truyền và nhận theo hướng LOS, R

là hệ số phản xạ mặt đất và = là hệ số tăng ích của anten truyền và nhận tương ứng với các tia có độ dài x và x’ tương ứng Sự lan truyền trễ của mô hình 2 tia tính bằng lan truyền trễ của tia LOS và tia phản xạ mặt đất: (x + x’ - l)/c

29

Hình 2.7 Mô hình 2 tia

Công suất tín hiệu nhận được cho mô hình 2 tia với đường dẫn bang hẹp là:

Ở đây, ∆φ = 2π(r0+r−l)/λ là độ lệch pha giữa 2 thành phần tín hiệu nhận được Phương trình đã được chứng minh là phù hợp rất chặt chẽ với dữ liệu thực nghiệm, nếu d biểu thị khoảng cách giữa 2 anten, ht là chiều cao anten phát, hr biểu thị chiều cao anten nhận, sử dụng hình học, chúng ta có thể thấy rằng:

Khi d quá lớn so với ht+hr, chúng ta có thể sử dụng loạt xấp xỉ Taylor ở công thức trên để tính:

Các hệ số phản xạ mặt đất được cho bởi [3, 4]:

30

Và ϵr là hằng số điện môi của mặt đất

Chúng ta xem từ Hình 2.7 và công thức tính R, cho khoảng cách d lớn, x + x’

≈ l ≈ d, Ɵ ≈ 0 Gl ≈ Gr , và R ≈ -1 Thay và công thức Pr, trong lân cận giới hạn này, công suất tín hiệu nhận được tính xấp xỉ bằng:

Hoặc nếu tính theo dB:

Do đó, ở 1 giới hạn của khoảng cách, tỉ lệ nghịch với d4 và độc lập với bước sóng λ Các tín hiệu nhận được trở nên độc lập với λ từ sự giao nhau của 2 tia thay đổi diện tích nhận tín hiệu hiệu quả của anten nhận Công thức trên như một hàm của khoảng cách được minh họa như Hình 2.8 với f = 900MHZ, R = -1, ht = 50m, h

= 2m, Gl = 1.Gr = 1 và truyền tải công suất bình thường, đồ thị bắt đầu từ 0dBm, đồ thị này có thể chia thành 3 phần Đối với khoảng cách nhỏ d < ht, suy hao đường truyền tỉ lệ với 1/(d2 + ht

d-4 Ở khoảng cách này, các thành phần tín hiệu kết hợp chỉ mang tính chất triệt tiêu Một xấp xỉ cho dc có thể thu được bằng cách thiết lập ∆φ = π in, lấy dc = 4hthr/λ.mà còn được thể hiện trong hình

Khoảng cách dc có thể được sử dụng để thiết kế hệ thống Ví dụ, việc truyển thông tin trong hệ thống thông tin di động tuân theo mô hình 2 tia thì khoảng cách tới hạn sẽ là kích thước tự nhiên cho bán kính tê bào Một hệ thống trong nhà thường có bán kính tế bảo nhỏ, thông thường là bộ của 10-20m

31

Hình 2.8 Năng lượng nhận được theo khoảng cách ở mô hình 2 tia [2]

Nếu chúng ta tính toán được vị trí cực đại cực tiểu, giá trị công suất mất mát

có thể được ước tính bằng cách chia đường cong tổn hao công suất Hình 2.8 thành 3 phần như sau:

- Với d < ht, các suy giảm công suất trung bình đối với khoảng cách là không đổi

- Với ht < d < dc , các suy giảm công suất trung bình với khoảng cách tương ứng trong không gian tự do, nơi công suất giảm đi tỷ lệ thuận với bình phương khoảng cách

- Với d > dc , suy giảm công suất với khoảng cách được xấp xỉ bằng công thức 2.17

2.4.3.2 Dielectric Canynon(Ten – ray model)

Bây giờ chúng ta xem xét 1 mô hình truyền cho khu vực đô thị được phát triển bởi Amitay [5] Mô hình này giả định đường thẳng với các tòa nhà dọc theo 2 bên đường phố, chiều cao của anten phát và anten thu thấp hơn chiều cao của các tòa nhà Những con đường như trên có thể xem như 1 hẻm núi điện môi với tín hiệu lan truyền Về mặt lý thuyết, một số lượng các tia có thể phản xạ bởi các tòa nhà trước