TÌM HIỂU HIỆN TƯỢNG FADING và mô PHỎNG HIỆN TƯỢNG FADING TRONG hệ THỐNG VIỄN THÔNG

Cơ chế của kênh truyền fading được mô hình hóa vào những năm 50 và 60, được áp dụng cho hệ thống truyền thông không dây với các dãy băng tần: băng tần số cao HF (330 MHz) sử dụng đối với hệ thống truyền thông không dây tầng điện ly, băng tần cực cao UHF (300 MHz – 3 GHz) và băng tần siêu cao SHF (330 GHz) sử dụng đặc tính phản xạ của tầng đối lưu. Các ảnh hưởng của kênh fading trong hệ thống thông tin di động có điểm khác biệt so với các ảnh hưởng của kênh fading ở tầng điện ly và tầng đối lưu, các mô hình hiện đại được sử dụng khá hữu ích cho các đặc tính của ảnh hưởng của kênh fading trong hệ thống thông tin số di động. Ở đây tôi chủ yếu đi tìm hiểu về ảnh hưởng của kênh truyền fading trong hệ thống thông tin số di động, những ảnh hưởng đó phụ thuộc vào những điều kiện nào? Tín hiệu nhận được ở máy thu như thế nào?... Bên cạnh đó để hiểu rõ hơn về vấn đề được đề cập đến, tôi sẽ đi vào thiết lặp mô hình mô phỏng dựa trên phần mềm mô phỏng. Việc mô phỏng sẽ được thực hiện như thế nào? Các thông số được thiết lặp ra sao? Kết quả mô phỏng so với lý thuyết như thế nào?... đó là những gì mà tôi cần tìm hiểu.

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN

LỜI CẢM ƠN

DANH MỤC NHỮNG TỪ VIẾT TẮT I DANH MỤC HÌNH III TÓM TẮT V ABTRACT VI

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1

1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 1

1.1.1 Nội dung đề tài 1

1.1.2 Đặt vấn đề 1

1.2 LỊCH SỬ GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ 1

1.3 PHẠM VI CỦA ĐỀ TÀI 2

1.4 PHƯƠNG HƯỚNG THỰC HIỆN 2

CHƯƠNG 2: NHỮNG ĐẶC TÍNH CỦA KÊNH TRUYỀN FADING 3

2.1 KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN 3

2.1.1 Khái niệm hệ thống thông tin vô tuyến 3

2.1.2 Kênh truyền vô tuyến 5

2.2 ĐẶC TÍNH CỦA KÊNH TRUYỀN FADING 5

2.2.1 Kênh fading 5

2.2.2 Đường bao và pha dao động 6

2.2.3 Hiện tượng đa đường 7

2.2.4 Đặc tính phân tán thời gian của kênh truyền 8

2.2.5 Đặc tính phân tán tần số của kênh truyền 12

2.2.6 Quan hệ giữa phân tán tần số và phân tán thời gian 16

CHƯƠNG 3: NHỮNG MÔ HÌNH KÊNH TRUYỀN FADING CƠ BẢN 18

3.1 MÔ HÌNH THỂ HIỆN TÍNH SUY HAO 19

3.1.1 Suy hao 19

3.1.2 Mô hình Hata 23

3.1.3 Mô hình Lee 27

3.1.4 Mô hình truyền sóng trong nhà 29

3.2 MÔ HÌNH CỦA KÊNH TRUYỀN FADING PHẲNG 32

3.2.1 Fading đa đường 33

3.2.2 Log-Normal Shadowing 42

3.2.3 Kết hợp hiện tượng đa đường và Shadowing 44

3.2.4 Kết hợp (phân chia thời gian) fading Shadowing/Unshadowing 45

3.3 MÔ HÌNH CỦA KÊNH TRUYỀN FADING CHỌN LỌC TẦN SỐ 46

CHƯƠNG 4: QUÁ TRÌNH MÔ PHỎNG 49

4.1 KHÁI QUÁT VỀ MÔ PHỎNG CÁC HỆ THỐNG THÔNG TIN TRUYỀN THÔNG 49

4.1.1 Các vấn đề trong thiết kế và đánh giá hệ thống 49

4.1.2 Áp dụng mô phỏng trong thiết kế và đánh giá hệ thống 51

4.1.3 Giới thiệu phần mềm mô phỏng MATLAB® 52

4.2 QUÁ TRÌNH MÔ PHỎNG 53

4.2.1 Vấn đề mô phỏng 53

4.2.2 Thiết lập mô phỏng 54

4.2.3 Kết quả mô phỏng 64

4.3 KẾT LUẬN 72

KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 74

PHỤ LỤC 75

TÀI LIỆU THAM KHẢO 81

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ

1.1.1 Nội dung đề tài

Tìm hiểu hiện tượng fading và mô phỏng sự fading trong hệ thống viễn thông

1.1.2 Đặt vấn đề

Cơ chế của kênh truyền fading được mô hình hóa vào những năm 50 và 60,được áp dụng cho hệ thống truyền thông không dây với các dãy băng tần: băng tần sốcao HF (3-30 MHz) sử dụng đối với hệ thống truyền thông không dây tầng điện ly,băng tần cực cao UHF (300 MHz – 3 GHz) và băng tần siêu cao SHF (3-30 GHz) sửdụng đặc tính phản xạ của tầng đối lưu Các ảnh hưởng của kênh fading trong hệthống thông tin di động có điểm khác biệt so với các ảnh hưởng của kênh fading ởtầng điện ly và tầng đối lưu, các mô hình hiện đại được sử dụng khá hữu ích cho cácđặc tính của ảnh hưởng của kênh fading trong hệ thống thông tin số di động

Ở đây tôi chủ yếu đi tìm hiểu về ảnh hưởng của kênh truyền fading trong hệthống thông tin số di động, những ảnh hưởng đó phụ thuộc vào những điều kiện nào?Tín hiệu nhận được ở máy thu như thế nào? Bên cạnh đó để hiểu rõ hơn về vấn đềđược đề cập đến, tôi sẽ đi vào thiết lặp mô hình mô phỏng dựa trên phần mềm môphỏng Việc mô phỏng sẽ được thực hiện như thế nào? Các thông số được thiết lặp rasao? Kết quả mô phỏng so với lý thuyết như thế nào? đó là những gì mà tôi cần tìmhiểu

1.2 LỊCH SỬ GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ

Như đã đề cập ở trên, cơ chế của kênh truyền fading được mô hình hóa vàonhững năm 50 và 60 khi hệ thống truyền thông không dây được xây dựng Đã có rấtnhiều nghiên cứu tìm hiểu về sự ảnh hưởng của fading đến chất lượng của tín hiệu tạimáy thu và kết quả là những mô hình kênh truyền fading cơ bản được xây dựng dựatrên những tính chất của kênh truyền vô tuyến để tìm hiểu về ảnh hưởng của sựfading Ý tưởng ban đầu, tín hiệu nhận được tại máy thu được biểu diễn khá đầy đủnhư là sự chồng chất sóng có số lượng giới hạn đã tồn tại qua bao thập kỷ R S Hoyt

1947, S O Rice 1948, M Nakagami 1960, Gilbert 1965, Clarke 1968 là những ngườiđầu tiên đề cập mô hình kênh fading đa đường và đó là những nền tảng đầu tiên cho

sự phát triển nghiên cứu sau này Cho đến nay, qua nhiều thập kỷ đã có rất nhiềunghiên cứu mới đầy đủ hơn, chính xác hơn và hoàn thiện hơn về việc ảnh hưởng của

sự fading lên tín hiệu truyền trong không gian tự do mà đặc biệt là trong hệ thốngthông tin di động

1.3 PHẠM VI CỦA ĐỀ TÀI

Với đề tài trên tôi chỉ dừng lại ở việc tìm hiểu cơ bản sự fading với những đặctính chính Với nội dung tìm hiểu chủ yếu về các đặc tính của kênh truyền fadingnhư: hiện tượng đa đường, hiệu ứng Doppler, shadowing,… cũng như những đặc tính

về phân tán tần số, phân tán thời gian Và tìm hiểu những mô hình kênh truyền cơ bảnthể hiện sự fading trong kênh truyền vô tuyến như: phân bố Rayleigh, phân bố Rice,phân bố nakagami-m,…

Bên cạnh đó, để giúp cho người đọc làm quen với chủ đề một cách đơn giản,trực quan hơn cách sử dụng các công thức toán học dựa trên lý thuyết, tôi sẽ đi vàothiết kế mô phỏng một mô hình kênh truyền fading đơn giản Với mô hình thiết kế môphỏng, kết quả cho ra sẽ được tham chiếu so sánh với kết quả lý thuyết để đưa ra mộtkết luận cụ thể

1.4 PHƯƠNG HƯỚNG THỰC HIỆN

- Tiếp thu ý kiến từ giáo viên hướng dẫn

- Tham khảo các giáo trình và tài liệu liên quan

- Hỏi ý kiến của các bạn trong lớp và mọi người xung quanh

- Định hướng những nội dung cần tìm hiểu và mô phỏng

- Lập đề cương những nội dung cần tìm hiểu và mô phỏng

- Tìm hiểu vấn đề

Ở đây, đầu tiên tôi sẽ đi tìm hiểu vấn đề về mặt lý thuyết, sau đó tôi sẽ xâydựng và thiết kế mô phỏng một mô hình kênh truyền fading đơn giản Với mô hìnhthiết kế mô phỏng, kết quả cho ra sẽ được tham chiếu so sánh với kết quả lý thuyết đểđưa ra một kết luận cụ thể

CHƯƠNG 2: NHỮNG ĐẶC TÍNH CỦA KÊNH TRUYỀN FADING

Theo các phương tiện truyền dẫn, các phương tiện thông tin nói chung đượcchia thành hai phương pháp thông tin cơ bản, đó là thông tin vô tuyến và thông tinhữu tuyến Mạng thông tin vô tuyến ngày nay đã trở thành một trong những phươngtiện thông tin chủ yếu, quan trọng trong cuộc sống hiện đại

Hình 2.1: Sơ đồ khối chức năng hệ thống truyền tin

Xem Hình 2.1, trong mạng thông tin vô tuyến ngoài nguồn tin và nhận tin thìkênh 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 nguồn phát đến nguồn thu Truyền sóng vôtuyến qua kênh truyền không dây là một hiện tượng phức tạp, đặc trưng bởi nhữnghiện tượng khác nhau như là đa đường và shadowing Diễn tả toán học chính xác củahiện tượng thì rất phức tạp, dễ ảnh hưởng đến sự phân tích hệ thống truyền thông.Tuy nhiên, những nổ lực tìm hiểu đáng kể đã được tiến hành dành dựa trên mô hìnhthống kê và đặc tính của những ảnh hưởng khác nhau đó Kết quả là đã đưa ra mộtphạm vi mô hình thống kê tương đối đơn giản và chính xác cho kênh truyền fading,tùy thuộc vào môi trường lan truyền và hệ thống truyền thông cơ bản

Mục đích đầu tiên của chương này là xem lại tóm tắt chủ yếu đặc tính và môhình của kênh truyền fading Tìm hiểu chủ đề hoàn toàn dựa vào những tiêu chuẩntrong tài liệu tham khảo Chương này giới thiệu những thuật ngữ và ký hiệu đượcdùng trong toàn bộ cuốn luận văn Diễn tả định nghĩa những đặc tính chính của kênhtruyền fading trong hệ thống truyền thông không dây được trình bày khá rõ

2.1.1 Khái niệm hệ thống thông tin vô tuyến

Các thành phần chủ yếu của hệ thống thông tin bao gồm:

+ Nguồn tín hiệu bao gồm tín hiệu hữu ích, tạp âm và can nhiễu Mặc dù tạp

âm và can nhiễu cũng là các tín hiệu điện nhưng ở đây khi nói đến “tín hiệu” ta chỉ nóiđến tín hiệu hữu ích

+ Các thiết bị truyền dẫn tin tức bao gồm các bộ điều chế, giải điều chế, các bộlọc, các bộ khuếch đại, các mạch duy trì đồng bộ,

+ Môi trường truyền dẫn (kênh truyền)

+ Các thiết bị sử lý tin tức hay tín hiệu

Mô hình kênh

Hình 2.2: Mô hình hệ thống thông tin vô tuyến

Hình 2.2 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 hóakênh được điều chế để có thể truyền tải đi xa Các mức điều chế phải phù hợp với điềukiện của kênh truyền Sau khi tín hiệu được phát đi ở máy phát, qua kênh truyền, tínhiệu thu được ở máy thu sẽ trải qua các bước ngược lại so với máy phát Kết quả tínhiệu được giải mã và thu lại được ở máy thu Chất lượng tín hiệu thu phụ thuộc vàochất lượng kênh truyền, các phương pháp điều chế và mã hoá khác nhau, nó được

đánh giá thông qua rất nhiều tham số như tỷ số tín hiệu trên nhiễu (SNR), mật độ phổcông suất nhiễu, xác xuất lỗi bit (BER), độ nhạy máy thu,…

2.1.2 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 hữutuyến là ổn định và có thể dự đoán được, kênh truyền vô tuyến là hoàn toàn ngẫunhiên và không hề dễ dàng trong việc phân tích Tín hiệu được phát đi, lan truyềntrong không gian tự do (free space (FS)) và bị cản trở bởi các toà nhà, địa hình đồi núi,cây cối …, bị phản xạ, tán xạ, nhiễu xạ và khúc xạ,… các hiện tượng này được gọichung là fading Và kết quả là ở máy thu, ta thu được rất nhiều phiên bản khác nhaucủa tín hiệu phát Điều này ảnh hưởng đến chất lượng của hệ thống thông tin vôtuyến Do đó việc nắm vững những đặc tính của kênh truyền vô tuyến là yêu cầu cơbản để có thể chọn lựa một cách thích hợp các cấu trúc của hệ thống, kích thước củacác thành phần và các thông số tối ưu của hệ thống

2.2 ĐẶC TÍNH CỦA KÊNH TRUYỀN FADING

2.2.1 Kênh fading

Đặc tuyến truyền dẫn không chỉ xác định bởi suy hao Sự mất mát hay suy haoquan sát được cũng có thể dao động phụ thuộc vào không gian và thời gian Khi mộttín hiệu từ anten phát nó bị phản xạ, tán xạ, khúc xạ và nhiễu xạ bởi những cấu trúckhác nhau trên kênh truyền (Arre 1973, Jake 1974, Gupt 1985, Fleu 1996, Hamm 1998,Stee 1999) Chúng ta cũng có thể quan sát rằng sự suy hao do truyền dẫn dao độngxung quanh giá trị trung bình Khía cạnh này của tín hiệu suy hao do truyền dẫn, ở đótín hiệu thu được mất đi những đặc điểm biết trước của mình và trở thành tín hiệungẫu nhiên theo không gian và thời gian, được mô tả là fading Nói cách khác fading làquá trình mô tả sự dao động của tín hiệu thu khi tín hiệu đến được anten thu Fading

có thể được miêu tả do những nguyên nhân cơ bản (đa đường hay là Dopler), sự phân

bố của đường bao tín hiệu thu được (Rayleigh, Rician hoặc Lognormal), khoảng thờigian fading (long term hoặc short term) cũng như fast fading so với low fading (Turi

1972, Stei 1987) Chúng ta sẽ nhìn nhận sự khác biệt này của fading để hiểu đượcnguồn gốc của chúng và những kết quả của chúng Chúng ta cũng sẽ nhìn vào nhữnghình thức khác nhau của fading để thiết lập mối quan hệ giữa chúng với nhau

Hiện tượng fading trong một hệ thống thông tin có thể được phân thành:Fading tầm rộng (long-term/large-scale fading) và fading tầm hẹp (short-term/small-scale fading)

+ Fading tầm rộng diễn tả sự suy yếu của trung bình công suất tín hiệu hoặc độsuy hao kênh truyền là do sự di chuyển trong một vùng rộng Hiện tượng này chịu ảnhhưởng bởi sự cao lên của địa hình (đồi núi, rừng, các khu nhà cao tầng) giữa máy phát

và máy thu Phía thu bị che khuất bởi các vật cản cao Các thống kê về hiện tượngfading tầm rộng cho phép ta ước lượng độ suy hao kênh truyền theo hàm của khoảngcách

+ Fading tầm hẹp diễn tả sự thay đổi đáng kể ở biên độ và pha tín hiệu Điềunày xảy ra là do sự thay đổi nhỏ trong vị trí không gian (nhỏ khoảng nửa bước sóng)giữa phía phát và phía thu Fading tầm hẹp có hai nguyên lý: sự trải thời gian(timespreading) của tín hiệu và đặc tính thay đổi theo thời gian (time-variant) củakênh truyền Đối với các ứng dụng di động, kênh truyền là biến đổi theo thời gian vì sự

di chuyển của phía phát và phía thu dẫn đến sự thay đổi đường truyền sóng

Các cơ chế chính ảnh hưởng đến sự lan truyền của tín hiệu trong hệ thống diđộng:

+ Phản xạ xãy ra khí sóng điện từ va chạm vào một mặt bằng phẳng với kíchthước rất lớn so với bước sóng tín hiệu RF Chú ý rằng nó phụ thuộc vào góc và trởkháng của vật cản Phản xạ có thể có hoặc không có kèm theo giao thoa

+ Nhiễu xạ xãy ra khi đường truyền sóng giữa phía phát và thu bị cản trở bởimột nhóm vật cản có mật độ cao và kích thước lớn so với bước sóng Nhiễu xạ là hiệntượng giải thích cho nguyên nhân năng lượng RF được truyền từ phía phát đến phíathu mà không cần đường truyền thẳng Nó thường được gọi là hiệu ứng chắn(shadowing) vì trường tán xạ có thể đến được bộ thu ngay cả khi bị chắn bởi vật cảnkhông thể truyền xuyên qua

+ Tán xạ xãy ra khi sóng điện từ va chạm vào một mặt phẳng lớn, gồ ghề làmcho năng lượng bị trải ra (tán xạ) hoặc là phản xạ ra tất cả các hướng Trong môitrường thành phố, các vật thể thường gây ra tán xạ là cột đèn, cột báo hiệu, tán lá

2.2.2 Đường bao và pha dao động

Khi tín hiệu nhận trải qua khoảng đường truyền fading, đường bao và pha daođộng của tín hiệu được nhận trong suốt thời gian truyền Với bộ điều chế ổn định, ảnh

hưởng của sự fading trong pha có thể làm cho hiệu suất suy giảm nghiêm trọng,nhưng mức độ suy giảm giữa tín hiệu phát và tín hiệu thu sẽ được cân bằng tại máythu Hầu hết sự phân tích hệ thống sử dụng như vậy các bộ điều chế được giả thiếtrằng ảnh hưởng của pha phù hợp với sự fading, nó hoàn toàn ổn định tại máy thu, kếtquả của nó được tham chiếu với bộ giải điều chế ổn định lý tưởng Ở bộ điều chếkhông ổn định, thông tin về pha không cần biết tại máy thu, vì thế sự thay đổi của phaphù hợp với sự fading, nó không ảnh hưởng đến hiệu suất Do đó hiệu suất phân tíchcho cả hai bộ điều chế lý tưởng ổn định và không ổn định qua kênh truyền fading yêucầu chỉ nhận biết các số liệu thống kê đường bao fading và hầu hết trường hợp đượcxem xét trong luận văn Hơn nữa, fading chậm (slow fading) thì khoảng thời gianfading được duy trì thấp nhất trong khoảng thời gian một symbol, hình bao fadingngẫu nhiên có thể tượng trưng bởi sự thay đổi ngẫu nhiên (RV) trong khoảng thờigian một symbol

2.2.3 Hiện tượng đa đường

Hình 2.3: Hiện tượng truyền sóng đa đường

Trong một hệ thống thông tin vô tuyến, các sóng bức xạ điện từ thường khôngbao giờ được truyền trực tiếp đến anten thu Điều này xãy ra là do giữa nơi phát vànơi thu luôn tồn tại các vật thể cản trở sự truyền sóng trực tiếp Do vậy, sóng nhận

Che khuất

MS

Truyền thẳng Khúc xạ

Tán xạ

Phản xạ Tán xạ

BS

được chính là sự chồng chập của các sóng đến từ nhiều hướng khác nhau bởi sự trễngẫu nhiên do phản xạ, khúc xạ hay tán xạ từ các toà nhà, cây cối và các vật thể khác(xem Hình 2.3) Hiện tượng này được gọi là sự truyền sóng đa đường (multipathpropagation) Nhũng ảnh hưởng này của fading thì tương đối nhanh và là nguyên nhânlàm tín hiệu short-term thay đổi Do hiện tượng đa đường, tín hiệu thu được là tổngcủa các bản sao tín hiệu phát Các bản sao này bị suy hao, trễ, dịch pha và có ảnhhưởng lẫn nhau Tuỳ thuộc vào pha của từng thành phần mà tín hiệu chồng chập cóthể được khôi phục lại hoặc bị hư hỏng hoàn toàn Ngoài ra khi truyền tín hiệu số, đápứng xung có thể bị méo khi qua kênh truyền đa đường và nơi thu nhận được các đápứng xung độc lập khác nhau Hiện tượng này gọi là sự phân tán đáp ứng xung(impulse dispersion) Hiện tượng méo gây ra bởi kênh truyền đa đường thì tuyến tính

và có thể được bù lại ở phía thu bằng các bộ cân bằng

2.2.4 Đặc tính phân tán thời gian của kênh truyền

Sự tăng giảm công suất nhận không chỉ bị ảnh hưởng bởi fading Fading cũng ảnhhưởng đến xung tín hiệu khi nó được truyền trên kênh truyền (Cox 1972, 1975; Hash

1979, 1989) Khi truyền đi một xung đơn, tín hiệu qua kênh truyền vô tuyến, tại máythu ta sẽ nhận được nhiều xung tại các thời điểm khác nhau (xem Hình 2.4), nguyênnhân là do nhiễu đa đường tạo ra tại các thời điểm khác nhau và có công suất khácnhau Nếu những xung này không nhận dạng được thì là do nhiễu đa đường đã tạo ramột xung rộng hơn và đường bao của các xung đã chồng lấp lên nhau ở tại máy thu.Mỗi xung có thời gian trễ khác nhau, lựa chọn ngẫu nhiên và do đó máy thu sẽ thuđược các công suất ngẫu nhiên Trong những trường hợp khác thì nhiễu đa đường cóthể ảnh hưởng đến xung phát mở rộng, tạo nhiễu xuyên các ký tự (ISI)

Hình 2.4: Xung phát và đa xung nhận, [1]

Để xử lý kênh truyền phân tán này có thể mô tả một cách định tính trongphương pháp sau Xét sự truyền dẫn của một xung rất hẹp (hàm đenta) Những xungnày thì tương tự như nhiễu đa đường đến máy thu tại những thời điểm khác nhau vớilượng công suất khác nhau tùy thuộc vào sự tán xạ, phản xạ, khúc xạ hay nhiễu xạ,những điều này chính là nguyên nhân tạo ra những thành phần đặc biệt Những xung

của tín hiệu đến với những công suất khác nhau có thể được dùng để xác định đápứng xung của kênh truyền như Hình 2.5 Ví dụ ở nông thôn thì những xung này hầunhư chắc chắn sẽ đến cùng một lúc, và cũng là thời gian ngắn nhất để đến được máythu Nguyên nhân thực sự là do ở đây có rất ít những kiến trúc cao lớn và thành ranhững đường này sẽ rất gần nhau (Hình 2.5a) Điều này có nghĩa là giữa những thờiđiểm đến khác nhau của thông tin khi nhận được ở máy thu sẽ trở nên quá nhỏ để cóthể quan sát hay đo lường Ở những vùng khác như là khu vực thành thị (Hình 2.5b),các xung sẽ trở nên đa dạng hơn và xung nhận được sẽ bị rải ra nhiều hơn (Bult 1983,Hash 1993, Akai 1994, Hanz 1994) Dưới những điều kiện này thì thông tin đượcmang đến dưới dạng xung có kích thước hữu hạn sẽ chồng lấp lên nhau và kết quả làtạo ra một xung rộng hơn

Hình 2.5: Đáp ứng xung của hai kênh truyền (a) khu vực nông thôn,

(b) khu vực thành thị, [1]

Bây giờ chúng ta có thể tính biểu thức trung bình thời gian một xung đến máythu Đáp ứng xung được cho ở Hình 2.6 Thời gian trễ trung bình là τ, ta có công thứcnhư sau

N

p i  i

i1 N

(2.1)

p i

12 3 4Thời gian Hình 2.6: Đáp ứng xung của kênh truyền không dây

đại lượng pi là công suất tới của đường thứ i và  i là khoảng thời gian xung thứ i đến.Trị hiệu dụng (root-mean-square(rms)) chênh lệch độ trễ (độ lệch chuẩn) giữa haixung

 d là

d  2

  2

(2.2) trong đó, 2 là trung bình bình phương thời gian trễ

2



Trong trường hợp lý tưởng chúng ta sẽ có p i = 0 nếu i ≠ 1, chỉ sự tồn tại của một xungđơn Trong vài trường hợp khác, nếu B c bằng không sẽ không có độ lệch giữa cácxung Tương tự nếu  d rất lớn, chúng ta sẽ xem xét xung rộng Thành ra ta có thể lượng

tử hóa sự mở rộng xung bằng cách hạn chế kênh truyền có dải băng hẹp bởi nó tỉ lệvới  d Nói chung, kênh truyền có băng thông là B c xấp xỉ được cho bởi (Stei 1987, Rum 1986, Rapp 1996b)

kể, và nhiễu giữa các ký hiệu sẽ được bỏ qua và kênh truyền xem như là kênh truyền

fading phẳng (flat fading) Đây là đặcđiểm ở những khu vực nông thôn (gần như là

kênhtruyền phẳng), khi đó giá trị của thời gian trễ sẽ rất nhỏ như ở Hình 2.7a.

Ngược lại nếu băng thông của tin tức lớn hơn băng thông của kênh truyền, thì nhữngthành phần tần số khác nhau của tin tức sẽ bị phân tán ra Kết quả là sự mở rộng xung,

và do đó những thành phần này sẽ gây ra nhiễu ISI Đáp ứng xung ở Hình 2.7b có thểđược xem như là một ví dụ về kênh truyền chọn lọc tần số (Bell 1963, Jake 1974) Tuynhiên điểm khác biệt giữa kênh truyền phẳng và chọn lọc tần số (flat và frequency-selective) là dựa trên băng thông của thông tin và σd, và không phụ thuộc vào giá trịtuyệt đối của σd Thành ra kênh truyền phẳng sẽ trở thành kênh truyền chọn lọc tần sốnếu thông tin được truyền đi với tốc độ cao Bây giờ chúng ta có thể hiểu tại sao lạicho rằng kênh truyền chọn lọc tần số là một kênh truyền phân tán

Chúng ta nhận thấy rằng có hai ảnh hưởng đến sự ngẫu nhiên của đường bao

của tín hiệu nhận và chọn lọc tần số của kênh truyền là sự xuất hiện riêng biệt củatruyền sóng đa đường phản xạ và một đường tín hiệu trực tiếp hoặc kết hợp cả hai.Tuy nhiên hầu hết các trường hợp thực tế pha của tín hiệu thu được là ngẫu nhiên vàphân bố của đường bao theo Reyleigh được biểu diễn không phụ thuộc vào sự lựachọn tần

số của kênh truyền

Cách tốt nhất để mô tả sự độc lập của kênh truyền đối vói tần số là sử dụng mô hình hai tia để đại diện cho fading Theo mô hình này đáp ứng xung h t c ( ) (Walk

Và hàm truyền H c ( f ) có đáp ứng tần số được cho bởi

H c ( )f  1 bexp( j2f ) (2.9)

Đặc trưng của kênh truyền có thể được quan sát bằng cách vẽ giá trị tuyệt đốicủa hàm truyền

| H c ( f ) | 1b2 2bcos(2  f ) (2.10) Hàm truyền có đỉnh tại các khoảng f=1 Đối với các giá trị khác nhau của τ, băng

thông của kênh truyền đo được thông qua sự khác nhau của các điểm zero, làm chokênh truyền chuyển từ đặc tuyến phẳng sang đặc tuyến lựa chọn tần số Chú ý rằngnhững mô tả đơn giản mà chúng ta giả sử các thành phần là biết trước, trong thực tếcác thành phần là ngẫu nhiên

2.2.5 Đặc tính phân tán tần số của kênh truyền

Cho đến giờ chúng ta chỉ giả sử một trường hợp duy nhất là đơn vị di động (MU hayMS) đứng yên Bây giờ chúng ta sẽ xem xét trường hợp đơn vị di động di chuyển với

vận tốc v như ở Hình 2.7 Sự di chuyển của đơn vị di động gây ra hiệu ứng Doppler

làm dịch tần số của tín hiệu thu được Hiệu ứng Doppler gây ra do sự chuyển độngtương đối giữa máy phát và máy thu như trình bày ở Hình 2.7 Bản chất của hiệntượng này là phổ của tín hiệu thu được bị xê lệch đi so với tần số trung tâm mộtkhoảng gọi là tần số Doppler

Hình 2.7: MS di chuyển với tốc độ v

Vật phản

2 t



)(

1 t



Trạm phát

Giả thiết góc tới của tuyến i so với hướng chuyển động của máy thu là  i , khi đótần số Doppler của tuyến này là

v

f d  f0 cos i  (2.11) c

Trong đó f0: tần số sóng mang của hệ thống v: vận tốc chuyển

động tương đối của máy thu so với máy phát c: vận tốc sóng

điện từ trong không gian

 i : góc giữa hướng di chuyển của thiết bị di động và đường truyền thẳng đếntrạm phát

0 <  i < 

Nếu  i = 0 thì độ dịch tần Doppler lớn nhất

v

Với N là số đường tín hiệu nhận và  i là các pha của tín hiệu Nếu chúng ta giả

sử rằng N là đủ lớn đường bao sẽ có phân bố Reyleigh như trong trường hợp đơn vị diđộng đứng yên Đồ thị điển hình của tín hiệu Doppler-faded được trình bày ở Hình2.8

Chúng ta có thể tín toán phổ công suất của tín hiệu thu được (Gans 1972, Huan

1992, Pars 1992, Fleu 1996, Stee 1999) Từ (2.13) cho thấy rằng tín hiệu thu được sẽ

có sóng mang bị dịch tần một lượng là  f c d os( i ) , sự dịch tần số này ảnh hưởng đến

sự

đồng bộ của nhiều hệ thống Đối với MU hay MS di chuyển trong phổ giá trị có thể

fd  f0c

Tính toán tất cả các hướng có thể tần số tức thời f in được cho bởi

(2.12)

f in  f0 f d cos( i ) Tín hiệu thu được một lần nữa có thể được biểu diễn như sau:

bằng không hoặc là bằng π, giá trị cực đại của độ dịch tần Doppler sẽ là  f d Chúng ta giả sửrằng các pha  i và  i là phân bố đều trong khoảng (0,2), phổ công suất S d ( )f của tín hiệu thu được có thể biểu diễn (Gans 1972, Jake 1974)

và cách phân cực được sử dụng

Bây giờ giả sử rằng truyền một xung ngắn RF tín hiệu nhận tại một chiếc xeđang di chuyển Sự di chuyển của MU sẽ gây ra sự thay đổi của kênh truyền tại tốc độcủa f d Hz Nếu độ rộng xung ngắn thì sự thay đổi gây ra bởi sự di chuyển sẽ chậm và

f

sẽ ít gây ra hoặc không gây ra sự tác động nào lên sự truyền dẫn của xung Nói cáchkhác nếu băng thông của tín hiệu được đo trong giới hạn nghịch đảo của độ rộngxung lớn hơn nhiều độ dịch tần Doppler cực đại, kênh truyền sẽ thay đổi rất chậm hayđược gọi là kênh truyền fading chậm (slow fading) Mặt khác nếu độ rộng xung lớnhơn sự thay đổi gây ra ở kênh truyền do sự di chuyển của MU nhanh và sẽ ảnh hưởngxấu đến việc truyền dẫn Nói cách khác khi truyền dẫn ở tốc độ thấp sự di chuyển sẽgây ra fading nhanh (fast fading) nếu băng thông của tín hiệu không lớn hơn nhiều sovới độ dịch tần Doppler cực đại

Hình 2.9: Phổ của tín hiệu dịch tần Doppler, [1]

Sự quan hệ giữa slow fading và fast fading có thể biểu diễn theo thời giantương quan T c của kênh truyền (Stei 1987) được đo theo nghịch đảo của độ dịch tầncực đại Doppler (Doppler-shift) cho bởi

so với thay đổi trong tín hiệu truyền dãy nền Trong trường hợp này, chúng ta có thểgiả thiết rằng kênh truyền không thay đổi theo thời gian của một hay nhiều symbol và

do đó, nó được xem như kênh truyền tĩnh Có nghĩa là độ dịch Doppler nhỏ hơn nhiều

so với băng thông của tín hiệu truyền dãy nền Hiện tượng fading được xem như làfast fading theo điều kiện sau đây

Ts << Tc và Bs >> Bc trong trường hợp ở đây, thời gian truyền được định nghĩa như là thời gian kéo dài củađáp ứng xung với sự tương quan thấp nhất bằng 0.5 (Sklar 2002)

Nếu độ rộng xung nhỏ hơn thời gian Tc, xung sẽ ít có khả năng bị méo dạng(slow fading), nếu độ rộng xung lớn hơn T c xung sẽ bị hiện tượng fast fading và sẽméo dạng Fast fading là đặc tính phân bố rải theo tần số của kênh truyền gây ra bởi sự

di chuyển của MU hay MS Sự khác biệt giữa slow fading và fast fading là một trongcác yếu tố quan trọng trong thiết kế mô hình toán học của kênh truyền fading cũngnhư trong đánh giá hiệu suất của hệ thống truyền thông

d

f

423.016

9



2.2.6 Quan hệ giữa phân tán tần số và phân tán thời gian

Hình 2.10: Phạm vi chịu ảnh hưởng của các dạng fading

Chúng ta nhận thấy rằng fading có thể diễn ra trong miền thời gian cũng như tần số Chúng ta có khả năng xử lý fading trong hệ thống không dây bởi vì chúng có những hiệu ứng độc lập Kênh truyền có đáp ứng phân tán thời gian khi hiện tượng

đa đường xuất hiện Cùng lúc đó kênh truyền cho thấy sự phân tán theo tần số nếu

MU đang di chuyển Mặc dù đây là những hiệu ứng độc lập nhưng có một mối quan

hệ giữa hai thông số phân tán của kênh truyền do mối quan hệ không có quy tắc phụ thuộc vào thời gian và tần số Hiệu ứng này được minh họa ở Hình 2.10

Với tốc độ dữ liệu thấp độ rộng xung sẽ lớn và kênh truyền cơ bản sẽ chậm vàphẳng Nếu tốc độ dữ liệu cao và MU di chuyển chậm, kênh truyền sẽ chậm nhưng cóchọn lọc tần số Nếu tốc độ bit cao và MU di chuyển tốc độ cao thì kênh truyền nhanh

và chọn lọc tần số,… Kênh truyền rơi vào loại phân tán theo thời gian và phân tántheo tần số phải yêu cầu những cách thức hiệu chỉnh để vượt qua sự méo dạng

CHƯƠNG 3: NHỮNG MÔ HÌNH KÊNH TRUYỀN FADING CƠ BẢN

Giới hạn chính của chất lượng thông tin di động là sự suy giảm của tín hiệu khi

nó đi từ máy phát đến máy thu (Gilb 1965, IEEE 1988, Deli 1985, Cheu 1998) Đườngtín hiệu truyền từ máy phát đến máy thu có thể là đường truyền thẳng (line-of-sight(LOS)) như ở Hình 3.1, trong trường hợp này thì sự mất mát của tín hiệu không quánghiêm trọng

Tuy nhiên trong một khu vực đô thị thì đường truyền giữa máy phát và máy thukhông phải là trực tiếp và tín hiệu đến máy thu thông qua các quá trình phản xạ, tán xạhay nhiễu xạ từ các cao ốc, các cấu trúc tự nhiên và những chướng ngại vật khác trênđường đi (Jake 1974) Những cách truyền dẫn này của tín hiệu là ví dụ của việc truyềntín hiệu non-line-of-sight (N-LOS) (Clar 1968)

Hình 3.1: Đường đi thẳng giữa hai anten, [1]

Ở những điều kiện N-LOS (phản xạ, tán xạ hay là khúc xạ) sẽ chỉ ra hầu hết đặc điểmcủa truyền dẫn thông tin di động Do đó mẫu lan truyền trong không gian tự do (freespace (FS)) không thích hợp cho việc tính toán suy giảm của tín hiệu thu Công suấtthu được bởi máy thu (MU hay MS) được trình bày ở Hình 3.2

Quan sát năng lượng ở khoảng cách vài km chúng ta thấy được sự giảm ổnđịnh trong năng lượng Đây là sự suy giảm đơn giản của năng lượng Tuy nhiên điềunày chưa cho biết toàn bộ vấn đề Nếu chúng ta giới hạn ở khoảng cách vài km chúng

ta sẽ thấy được năng lượng dao động xung quanh giá trị trung bình và sự dao độngnày diễn ra trong thời gian dài, hiện tượng này được xem là long-term fading hay làlarge-scale fading như chúng ta thấy sau này, điều này được mô tả như là phân bốlognormal (Brau 1991) Nếu chúng ta giới hạn hơn nữa và kiểm tra công suất ởkhoảng cách vài trăm mét chúng ta thấy rằng năng lượng nó còn dao động nhanh hơn

fading mà chúng ta sẽ thấy sau này được gọi là phân bố Rayleigh Do đó chúng ta thấyrằng tín hiệu thu được một cách tự nhiên thì phức tạp hơn một cách diễn tả đơn giảnchỉ dựa trên suy giảm tín hiệu (Auli 1979, Akki 1994, Samp 1997) Bây giờ chúng ta

sẽ xem xét ba hiện tượng này cùng với sự lan truyền của tín hiệu không dây một cáchchi tiết hơn

Hình 3.2: Mất mát năng lượng dưới ba hiệu ứng chính: suy hao, long-term và

đường đi của tín hiệu thì năng lượng thu được P r sẽ tuân theo quy luật ngược bìnhphương (Gilb 1965, Jake 1974)

Các thông số Gt và Gr là độ lợi máy phát và máy thu Bước sóng là λ và L (1)đại diện cho sự suy hao cộng vào trong hệ thống mà không liên quan đến sự mất mát

do lan truyền, như mất mát do bộ lọc, anten,…

Công suất phát Pt theo mW, thành phần PtGt được xem là thành phần công suấtphát đẳng hướng (equivalent isotropic radiated power (EIRP)) Các thông số khác là

độ mất mát trong không gian tự do L free được cho bởi



4d

Biểu thức cho EIRP có thể được dùng để ước lượng công suất nhận tại bất cứ

vị trí nào của máy phát sử dụng (3.2)

d ref 2

P d P d r( ) r( ref )   (3.4)  d 

với d ref là khoảng cách tham khảo Khoảng cách tham khảo phải nhỏ hơn khoảng cáchđiển hình gặp phải trong hệ thống truyền thông không dây và phải rơi vào miền xa(farfiefd) của anten, để cho mất mát ngoài điểm đó chỉ phụ thuộc khoảng cách (Pahl

1995, Rapp 1996) Giá trị này thì thông thường nằm trong khoảng từ 100-1000m.Công suất tại khoảng cách dref là P d r ( ref ) cũng được tính bằng mW Sử dụng phươngpháp này, (3.4) có thể viết lại là

d ref 

P d dBm r ( ) 10log10(P d r ( ref )) 20log10   (3.5)  d 

Độ suy hao thật sự của tín hiệu tại tần só f0 tại khoảng cách d (Km) dưới điều kiện củađịa hình không có chướng ngại vật, hay là L free , có thể đạt được bằng cách viết lại sựsuy hao trong truyền sóng tự do theo (3.3)

 c / f 

 4d 

với c là vận tốc lan truyền của trường điện từ trong không gian tự do, bằng 3x108m/s,

và f là tần số (MHz) (3.6) có thể biểu diễn lại

với d phải lớn hơn 1km, f tính theo MHz

Trong trường hợp sóng truyền trong không gian tự do ở trên dĩ nhiên chỉ là điều kiện

lý tưởng và công suất thường suy hao với tốc độ nhanh hơn nhiều so với dự đoánbằng luật bình phương nghịch Do đó suy hao ở trong hầu hết các trường hợp sẽ đượcxem xét là cao hơn (Rapp 1995, Deli 1985) Có thể khảo sát công suất tiêu hao theo

hàm mũ với bậc cao hơn v và do đó công suất nhận được P r có thể biểu diễn là

với thông số suy hao v có giá trị tối thiểu là 2 trong không gian tự do (FS) và lớn hơn 2

khi truyền trong điều kiện không phải là tự do Công suất nhận được dưới điều kiện

LOS có thể được viết kết hợp giữa (3.4) và (3.8) như sau

N-d ref 

P d dBm r ( ) 10log10(P d r ( ref ))10vlog10   (2.9)

 d 

với d ref là khoảng cách tham khảo bằng 100m Đồ thị của công suất thu được với một

vài giá trị của v được biểu diễn ở Hình 3.3 cho thấy rằng suy hao có xu hướng tăng khi

gặp phải điều kiện N-LOS Những giá trị cao hơn của v đáp ứng trong khu vực thành phố và đô thị, giá trị thấp hơn của v đáp ứng với những nơi khu vực cận thành thị và

nông thôn

Một vài mô hình đã được đưa ra để tiên đoán sự suy hao của tín hiệu khi nó điđến máy thu Những mô hình suy hao này kết hợp với kinh nghiệm đo đạc ở nhiềuthành phố và một số mô hình vật lý để tính toán cho nhiều hình thức khác nhau mà tínhiệu RF truyền đi Như đã đề cập trước đây tín hiệu bị phản xạ, tán xạ, nhiễu xạ, khúc

xạ và bị hấp thụ bởi môi trường địa lý như là nhà cao tầng, thực vật và những hiệuứng khác, trước khi chúng đến được máy thu Những hiện tượng vật lý khác nhau kếthợp lại gây ra sự suy hao đáng kể đối với tín hiệu Sự suy hao của năng lượng thường

đi kèm với sự dao động xung quanh giá trị trung bình của năng lượng thu được khiếncho sự dự đoán năng lượng thu được trở nên khó khăn hơn

Hình 3.3: Năng lượng thu được với hệ số suy hao v, [1]

Một mô hình do Okumura và đồng nghiệp của mình đã đề suất để dự đoán mức suyhao trung bình dựa trên đo đạc thực hiện ở trong và xung quanh Tokyo (Okum 1968)

Mô hình này dựa trên giả thuyết có khả năng để tính toán sự suy hao trong không gian

tự do giữa trạm gốc (BS) cao 200m và đơn vị di động (MU hay MS) cao 3m, kèm theonhững thông số hiệu chỉnh để tính toán theo địa hình Những thông số hiệu chỉnh

thêm vào có thể bao gồm để tính toán cho những thông số khác như là sự định hướngtrên đường phố Những thông số hiệu chỉnh dùng để tính toán những đặc điểm sau

- Chiều dài của anten và tần số phát

- Không gian cận đô thị và tương tự như không gian tự do, địa hình đồi núi,

…

- Sự suy hao do khúc xạ gây ra bởi núi

- Ao hồ

- Đường phố

Mặc dù những mô hình này rất là hợp lý trong việc dự đoán suy hao tín hiệu, nhưng

nó không thể dễ dàng để sử dụng do các thông số hiệu chỉnh phải được kèm với mỗichuỗi sự kiện được hình thành trong tương lai hoặc kết quả phải được ngoại suy Đểvượt qua một số trong những vấn đề trên Hata đã đưa ra một mô hình đơn giản vàhợp lý mà phù hợp với kết quả về mặc địa lý của Okumura (Hata 1980, 1985) Mộtmẫu khác đưa ra sự suy hao của đường truyền là mô hình Lee (Lee 1980, 1993, 1997) Chú ý rằng mô hình Hata và Lee chỉ đơn thuần cung cấp công thức cho sự suy haođường truyền phụ thuộc vào khoảng cách Nhưng suy hao do đường truyền thì mộtmình nó không đủ để chỉ ra những đặc điểm của kênh truyền mà tín hiệu truyền qua.Một đường truyền suy hao điển hình được quan sát cho thấy hiệu ứng fading vừalong term và short term

Trước khi xem xét mối quan hệ giữa suy hao và fading chúng ta sẽ xem xét mô hìnhHata cũng như mô hình Lee trong việc tính toán suy hao do sự truyền sóng, chúng tacũng sẽ xem xét sự khác nhau giữa sự lan truyền trong nhà cũng như ngoài trời vàkiểm tra các mô hình khác nhau và việc tính toán suy hao của sự truyền dẫn trong nhà

3.1.2 Mô hình Hata

Hình 3.4: Ảnh hưởng chiều cao của anten BS, [1]

Mô hình hata (Hata 1980) là một sự tiến bộ lớn so với mô hình Okumura(Okum 1968) cho việc ước tính suy hao do truyền sóng Sự truyền sóng trong nhữngkhu địa lý khác nhau được xem xét kỹ sử dụng các thông số hiệu chỉnh mà được lấy

từ thực nghiệm Điểm khởi đầu trong ước tính suy hao là sự truyền sóng trong khuvực đô thị Các mô hình suy hao nói chung dựa vào mô hình trung điểm hơn là môhình trung bình Sự suy hao được tính theo ảnh hưởng chiều cao (h b ) của anten BS vàchiều cao anten của MU (h mu ) hoặc MS Phương pháp ước tính ảnh hưởng chiều caocủa anten

BS được trình bày ở Hình 3.4 Thông thường anten BS được đặt trên đỉnh của các nhàcao tầng hoặt những cấu trúc cao Giữa 3 và 15km từ trạm gốc BS đến MU hay MS,ảnh hưởng chiều cao được ước tính nằm trên mức trung điểm của địa hình được trìnhbày ở Hình 3.4

Trong mô hình Hata mức suy hao trung điểm (Lp(dB)) trong khu vực thành thịđược xác định bởi

L p (dB)  69.55 26.16log 10 44.9 6.55log 10 h b log 10 d

với

f0 là tần số sóng mang (MHz) d là khoảng cách giữa BS

và MU hay MS (km) h b là chiều cao của anten BS (m) h mu là

chiều cao anten của thiết bị di động (MU hay MS) (m)

a(h mu ) là hệ số ảnh hưởng của chiều cao anten của thiết bị di động (MU hayMS)

Đối với khu vực thành phố lớn hệ số ảnh hưởng được cho bởi

a h( mu )  3.2log10 11.75h mu 2 4.97 ( f0 >= 400MHz) (3.11) Đối với khu vực thành phố vừa và nhỏ hệ số ảnh hưởng là

a h( mu) 1.1log10 0f 0.7h mu 1.56log10 0f 0.8 (3.12) Trong khuvực cận đô thị thì suy hao trung điểm được xác định bởi

Suy hao điển hình đưa ra bởi mô hình Hata được trình bày ở Hình 3.5 Chú ý rằng sựkhác nhau trong thông số ảnh hưởng giữa các khu vực lớn, vừa và nhỏ chỉ khoảng1dB Điều này làm cho đường suy hao đối với hai trường hợp này là rất gần nhau

Hình 3.5: Tính toán mất mát dựa trên mô hình Hata đối với bốn môi trường khác

nhau Tần số sóng mang là 900MHz, anten BS cao 150 m, anten MS cao 1,5 m

Mô hình Hata cũng có thể được sử dụng để ước tính giá trị của thông số suy hao v

công suất thu được P d r ( ) (dBm) cho khoảng cách d giữa BS và MU hay MS được biểudiễn là

với P t là công suất phát và P loss ( )d là suy hao được tính từ mô hình Hata Công suất thu

có thể được biễu diễn

v

P rd     

 d

với v là hệ số suy hao đường truyền

Suy hao giữa hai khoảng cách d ref và d (> 1km) có thể được biễu diễn

và

1

và biểu thức cho v trở thành

10log10d  log10dref  

ở đây d ref = 100 và P loss được cho bởi

d  P d 

 

đạt được từ (3.2)

Sự mở rộng cho mô hình Hata đối với PCS: Mô hình suy hao đưa ra bởi Hata

có thể mở rộng cho môi trường PCS (personal communication system) (Meli 1993,Rapp 1996, Garg 1997, Saun 1999) Suy hao trung điểm ở khu vực đô thị, Lp theo dBđược biễu diễn như sau

L pdB  46.3 33.93log 10f0   13.82log 10h b  ah mu



44.9 6.55log 10h b  log 10 d Corr (3.21) với Corr là thông số ảnh hưởng thêm vào được cho bởi

Corr = 0 dB đối với thành phố tầm trung và khu vực cận đô thị

Corr = 3 dB đối với trung tâm thành phố

Mô hình này phù hợp đối với những thông số sau

3.1.3 Mô hình Lee

Một mô hình khác cho việc ước tính suy hao đường truyền là mô hình của Lee(Lee 1980, 1993) Dựa trên đo đạc tại ba thành phố trong đó có Philadelphia, mô hìnhnày đưa ra sự suy hao tín hiệu dựa trên khu vực này so với khu vực khác Những giátrị suy hao này sau này được sử dụng như là những giá trị ban đầu để ước tính sự suy

hao điểm - điểm Suy hao trung điểm (giữa khu vực với khu vực) ở khoảng cách d(km), L(d) được biểu diễn như sau

L d( )(dB)  L0 10vlog10 ( )d   c (3.22) Với L0 là suy hao tại 1km, v là hệ số suy hao và  c là hệ số hiệu chỉnh Sự ướctính đã được thực hiện với sóng mang tần số 900MHz, với một anten phát cao 30.5m

và một anten thu cao 3m Hệ số hiệu chỉnh  c được thêm vào để tính toán cho bất kỳ sựthay đổi nào trong thông số chuẩn được sử dụng trong mô hình và được biểu diễnnhư sau

Hình 3.6: Nhận thức về h eff (a) Anten MU trên mặt đất (b) Anten MU phía trên mặtđất, [1]

Suy hao dựa trên mô hình điểm – điểm L d p ( ) có thể biểu diễn như sau

heff 

L d dB p ( )()  L d( ) 20log10   10  (3.26) Với heff là chiều cao ảnh hưởng của anten, dựa vào đó để tính toán mối quan hệ giữa vịtrí anten với địa hình như ở Hình 3.6

Chú ý rằng mô hình Hata dễ hơn so với hầu hết các mô hình khác trong việcước tính suy hao do truyền sóng

3.1.4 Mô hình truyền sóng trong nhà

Các mô hình được thảo luận cho đến bây giờ có thể được sử dụng để ước tính

độ mạnh của tín hiệu ở ngoài trời nhưng không đủ để ước tính tín hiệu trong nhà Ví

dụ điển hình của truyền sóng trong nhà là ở trung tâm mua sắm, tòa nhà văn phòng cónhiều tầng và nhiều phòng Có nhiều vật khác nhau mà làm phản xa, tán xạ và khúc xạtín hiệu không dây bao gồm cả các hình thức khác nhau của trần nhà trong các cấu trúcnày, các hình thức hiển thị khác nhau và các loại đồ đạc khác nhau Một mô hình mà

có thể ước tính suy hao của tín hiệu phải có những đặc điểm khác nhau này trong tínhtoán (Bult 1987, 1989; Gane 1991, Molk 1991, Ders 1994) Một tòa nhà có thể có mộtphòng rất rộng không có vách ngăn và có rất ít chướng ngại vật hay một phòng rấtrộng có nhiều chướng ngại vật lớn Cũng có khả năng với những ngôi nhà có cùngđiều kiện trong các phòng nhỏ Số lượng các chướng ngại vật không chỉ là nhân tố duynhất đến việc xác định suy hao tín hiệu Các vật liệu được sử dụng để làm vách ngăntrong nhà cũng ảnh hưởng đến độ mạnh của tín hiệu khi đến MS Điều này đặt ranhững thách thức đối với những mô hình nói chung mà ước tính suy hao tín hiệu dướinhững điều kiện trên Phương pháp tốt nhất cho mô hình hóa truyền sóng trong nhà làphân loại những môi trường khác nhau thành các khu vực có cấu trúc khác nhau (Pars

1983, Walk 1983, Turk 1991, Lots 1992, Rapp 1996, Samp 1997) Những cấu trúc nàydựa trên vị trí của BS nằm trong hay là ngoài các tòa nhà và cách mà BS điều khiểnviệc truyền và nhận tín hiệu

 d v d d v B 

L ELZ ( )(d dB) 10log L d d ( 0)( ) L d B ( 0)( ) A B  (3.27)

 d0 d0 với

L d (d0 ) : suy hao do truyền sóng tại khoảng cách d = d0 L B (d0

) : suy hao do các tòa nhà tại khoảng cách d = d0 v d : hệ số

suy hao do truyền sóng phụ thuộc vào khoảng cách v B : hằng số

suy hao do các tòa nhà

A B : hệ số suy hao do đi qua các tòa nhà

Chú ý rằng giá trị L d (d0 ) và L B (d0 ) được xác định bởi mật độ các chướng ngại vật cótrên đường đi cũng như sự phụ thuộc của suy hao vào tần số Thông số suy hao phụthuộc vào khoảng cách v d khoảng bằng 2 nếu chỉ có một vài chướng ngại vật, và nếu

có sự tán xạ v d có thể ở khoảng 3 – 6 được mô tả ở trên Thông số v B thường trongkhoảng từ 0.5 – 1.5 A B phụ thuộc vào sự chênh lệch giữa chiều cao của anten phát vàanten thu cũng như vật liệu có ở trong các tòa nhà

3.1.4.3 Khu vực tầm trung

Ở khu vực tầm trung cấu trúc của các tòa nhà thì lớn và dày đặc đây là tìnhhuống thông dụng ở các khu mua sắm

Trong sự phân loại này thì một số lượng các trạm gốc được đặt trong tòa nhà để phục

vụ các thuê bao di động Suy hao trung điểm trong khu vực tầm trung được biểu diễnnhư sau

W( )d là suy hao do tường R d( ) là

suy hao do phản xạ k1 số lượng tầng

trên đường đi k2 số lượng bức

tường trên đường đi

3.1.4.4 Khu vực nhỏ và siêu nhỏ

Một tòa nhà có thể có nhiều bức tường, sự xuyên qua của tín hiệu phụ thuộcmạnh vào cái vật liệu của bức tường và vách ngăn đó Điều này yêu cầu cung cấp mộttrạm gốc cho mỗi phòng trong tòa nhà đó Mô hình suy hao cho khu vực nhỏ có thể sửdụng kết quả trong khu vực lớn bằng cách kết hợp những giá trị thích hợp của thông

số suy hao v, dựa trên số lượng và loại chướng ngại giữa máy phát và máy thu Nếu điều kiện LOS v sẽ bằng 2, với điều kiện N-LOS thì v sẽ gần bằng 3.5

Ở những điều kiện của tòa nhà trên sẽ dễ có nghẽn mạng trong mỗi phòng và điềunày yêu cầu sử dụng một vài trạm gốc trong một phòng Việc tính toán suy hao do

đường đi với khu vực siêu nhỏ có thể được thực hiện tương tự đối với khu vực nhỏbằng cách sử dụng giá trị của thông số suy hao nhỏ hơn một ít

Khi fading ảnh hưởng đến hệ thống băng hẹp, biên độ sóng mang nhận đượcđược điều chế bởi biên độ fading , ở đây  thay đổi ngẫu nhiên (RV) với giá trị bình

phương trung bình (mean-square)    22  2 và hàm mật độ xác suất (PDF) p ,chúng phụ thuộc vào bản chất của môi truyền sóng vô tuyến Sau khi qua kênh truyềnfading, tín hiệu bị nhiễu tại máy nhận bởi hiện tượng cộng hưởng nhiễu trắng(AWGN), thường được giả thiết là thống kê độc lập với biên độ fading  và được đặctrưng bởi mật độ phổ công suất N0 (W/Hz) Nói cách khác, công suất tín hiệu tức thờitại máy thu được điều chế bởi 2 Vì vậy chúng ta xác định tỷ số công suất tín hiệu trênnhiễu (SNR) trên symbol bởi 2E s / N0 và trung bình tỷ số công suất tín hiệu

trên nhiễu (SNR) trên symbol là    E s /N0 Ở đây, Es là năng lượng trên symbol Ngoài ra, hàm mật độ xác suất (PDF) của tỷ số công suất tín hiệu trên nhiễu (SNR)trên symbol  thu được bằng cách giới thiệu sự thay đổi của các biến trong biểu thứccho bởi hàm mật độ xác suất (PDF) fading p  của biên độ fading 

Bây giờ chúng ta sẽ giới thiệu những ảnh hưởng phức tạp khác nhau trong đườngtruyền vô tuyến trên kênh truyền fading, tương ứng với hàm mật độ xác suất (PDF),hàm khởi tạo moment (MGF), tổng fading (AF) và mối quan hệ của chúng trên kênhtruyền vật lý

3.2.1 Fading đa đường

Như đã đề cập ở trên, sóng tín hiệu từ máy phát đến máy thu nó bị phản xạ, tán

xạ, khúc xạ và nhiễu xạ bởi những cấu trúc khác nhau như các tòa nhà, địa hình đồinúi, cây cối,… trên kênh truyền vô tuyến (Arre 1973, Jake 1974, Gupt 1985, Fleu

1996, Hamm 1998, Stee 1999); do vậy, tín hiệu nhận được chính là sự chồng chập củacác tín hiệu đến từ nhiều hướng khác nhau và được xem như là mô hình fading đađường (xem Hình 2.3) Phụ thuộc vào bản chất của môi trường truyền sóng vô tuyến,chúng ta sẽ tìm hiểu các mô hình kênh fading khác nhau để thấy rõ các ảnh hưởng củahiện tượng fading đa đường trên kênh truyền vô tuyến

3.2.1.1 Mô hình phân bố Rayleigh

Mô hình phân bố Rayleigh được sử dụng như là mô hình fading đa đườngnhưng không có đường truyền thẳng (LOS) Chúng ta giả sử rằng máy thu là tĩnh theothời gian Tín hiệu thu được có thể được biểu diễn như là tổng của các thành phần bịtrì hoãn

N

i1

với a i là biên độ của thành phần tán xạ, p(t) là dạng xung phát và t i là thời gian để xung

từ máy phát đến máy thu N là số lượng đường khác nhau của tín hiệu đến máy thu.Chú ý rằng chúng ta cũng giả sử rằng không có sự phản xạ trực tiếp giữa anten phát và