Bài tập lớn siêu cao tần Mô phỏng suy hao truyền sóng tại 30GHz

Báo cáo bài tập lớn môn học kỹ thuật siêu cao tần, viện điện tử viễn thông đại học bách khoa hà nội đề tài bài tập lớn Mô phỏng suy hao truyền sóng trong tần số 30GHz.........................................

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

- -BÁO CÁO

KỸ THUẬT SIÊU CAO TẦN

Đề tài 3:

Mô phỏng suy hao truyền sóng dải sóng 30GHz

Hà Nội, 5/2018

Giảng viên hướng dẫn : PGS TS Vũ Văn Yêm

1.

2.

3.

MỤC LỤC

BẢNG PHÂN CÔNG CÔNG VIỆC 3

DANH MỤC HÌNH ẢNH 4

DANH MỤC BẢNG BIỂU 4

LỜI NÓI ĐẦU 5

1 Giới thiệu chung 6

2 Cơ sở lý thuyết 6

2.1 Dải sóng mm trong hệ thống thông tin 6

2.2 Mô hình suy hao của dải tần và hệ thống thông tin di động ngày nay 7

2.3 Các mô hình suy hao đã được chỉ ra trong tần số 30GHz 9

2.4 Các kết quả mô hình truyền sóng địa hình ngoài trời ở dải tần mmWave 12

2.5 Các kết quả mô hình truyền sóng địa hình trong nhà ở dải tần mmWave 14

2.6 So sánh các kết quả của các mô hình suy hao trong hai môi trường ngoài trời và trong nhà 15

3 Mô phỏng mô hình suy hao bằng MATLAB 15

KẾT LUẬN 19

TÀI LIỆU THAM KHẢO 20

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1 1 Kết quả mô phỏng các mô hình suy hao tần số 30 GHz 17 Hình 1 2 Kết quả thu phóng tại một điểm của đồ thị 18

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1 1 Các thông số cho các mô hình suy hao của tần số 30GHz, trích dẫn [4,3-4] 9 Bảng 1 2 Tham số các mô hình suy hao trong dải tần 26.5-40 GHz, trích dẫn [4,5] 11 Bảng 1 3 Bảng tham số của mô hình FI và CI trong hai tần số 28GHz và 73GHz, trích dẫn [7,4-5] 13

LỜI NÓI ĐẦU

Với tốc độ phát triển ngày càng mạnh mẽ của các hệ thống thông tin, nguồn tài nguyên tần số là hữu hạn, yêu cầu con người cần biết khai thác một cách triệt để và ứng dụng trong các lĩnh vực khoa học công nghệ ngày nay Theo xu hướng phát triển của thế giới, mảng siêu cao tần được ứng dụng trong những công nghệ cao nhằm nâng cao đời sống của con người và phục vụ nhu cầu về công nghệ ngày càng tối tân trong xã hội

Trong hệ thống thông tin di động của Việt Nam hiện nay, mạng di động thế hệ thứ

4 (4G) mới bước đầu triển khai và cho thấy một tiềm năng lớn trước mắt, phục vụ cho toàn dân sử dụng internet tốc độ cao Nhưng đối với thế giới các nghiên cứu của mạng di động thế hệ thứ 5 (5G) đã bắt đầu triển khai và nó mang đến những ứng dụng vô cùng hữu ích trong sự phát triển chung của nhân loại, chúng được kỳ vọng sẽ cung cấp cho khách hàng những dịch vụ với chất lượng và tốc độ cao nhất, vùng phủ sóng được mở rộng và bao quát một cách mạnh mẽ nhất

Tuy nhiên, song song với các lợi ích mà nó mang lại, vấn đề suy hao trong truyền dẫn thông tin là một điểm vô cùng quan trọng trong mỗi hệ thống thông tin do nó chịu nhiều ảnh hưởng từ các yếu tố môi trường Suy hao luôn tỉ lệ thuận với tần số truyền dẫn sóng, mà đặc biệt các bài toán giải quyết suy hao truyền dẫn trong siêu cao tần lại càng đóng một vai trò quan trọng

Vì vậy, ở đề tài bài tập lớn này, được sự hướng dẫn của thầy PGS.TS Vũ Văn Yêm, nhóm chúng em sẽ tập trung tìm hiểu và mô phỏng về các mô hình suy hao (pathloss model) truyền dẫn trong dải sóng mm và cụ thể là tại tần số 30GHz Qua đây, chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy PGS.TS Vũ Văn Yêm đã tạo điều kiện và giúp đỡ chúng em hoàn thành đề tài và có được những kiến thức bổ ích

1 Giới thiệu chung

Mô hình truyền lan (propagation model) hay còn gọi là mô hình suy hao đường truyền (pathloss model) mô tả sự truyền dẫn tín hiệu trung bình, nó giúp xác định phạm vi hoạt động tối đa của cell bằng cách chuyển đổi từ suy hao tối đa cho phép Suy hao đường truyền xảy ra do tiêu tán công suất bức xạ của máy phát cũng như do hiệu ứng truyền lan của sóng điện từ trong không gian

Suy hao đường truyền phụ thuộc vào nhiều yếu tố Ví dụ như chịu ảnh hưởng từ môi trường truyền sóng là vùng đô thị hay nông thôn, vùng dân cư đông đúc hay khu vực ngoại ô, ngoài ra truyền sóng trong khu vực có rừng, biển cũng là một yếu tố quyết định lớn Ngoài nhiều ảnh hưởng từ các yếu tố môi trường thì khoảng cách, tần số, các điều kiện khí quyển hay trong nhà và ngoài trời cũng đóng góp mang lại nhiều ảnh hưởng cho truyền sóng, gây ra suy hao đường truyền

Một vài ví dụ điển hình đã và đang được sử dụng cho ngày nay bao gồm: mô hình suy hao trong không gian tự do, mô hình Walfish – Ikegami, mô hình Okumura – Hata,

mô hình Longley – Rice và mô hình Lee and Young,…

Các mô hình ngày nay tạm thời có thể coi đáp ứng được nhu cầu sử dụng cơ bản của những người sử dụng di động, nhưng với tốc độ phát triển nhanh chóng của công nghệ và nhu cầu ngày càng cao thì việc nghiên cứu và tìm hiểu ra các mô hình mới là cần thiết, đặc biệt là với các dải tần số cao mà từ trước đến nay khó được tiếp cận Phần dưới của báo cáo chúng em trình bày cơ sở lý thuyết và các mô hình đã được chỉ ra trên thế giới dựa theo nhưng nghiên cứu và các bài báo khoa học đã được công bố

2 Cơ sở lý thuyết

2.1 Dải sóng mm trong hệ thống thông tin

Trong hệ thống thông tin di động thứ 5 (5G) có khả năng hoạt động trong dải tần số sóng milimet (mmWave) của dải tần 30-300GHz Ở dải sóng mmWave bước sóng được coi là rất nhỏ, những anten định hướng rất hữu dụng, chúng có thể được dùng để nghiên

cứu cho những phương pháp hay mô hình mới lạ hơn Gần đây, truyền sóng trong dải sóng mm có sự mất mát về tín hiệu là nhiều hơn so với công nghệ ngày nay với các dải tần UHF và các dải tần số nhỏ hơn Tuy nhiên suy hao trên những kênh truyền trong dải sóng mmWave có thể được cải thiện và tăng độ tin cậy và thậm chí trong một số trường hợp suy hao còn nhỏ hơn so với các công nghệ ngày nay khi mà các anten có độ định hướng cao được sử dụng tại các trạm di động cơ sở

Phổ của dải sóng mm là tương lai của hệ thống không dây sau này vì số lượng lớn băng thông sẵn có của nó cung cấp cho các dịch vụ di động Ngày nay chuẩn (WiGig) IEEE802.11 cung cấp 7Gb/s tốc độ dữ liệu trong tần số 60GHz nhưng chưa được cấp phép quốc tế Dự đoán trong tương lai, ngành công nghiệp di động sẽ vương lên mạnh mẽ với dải sóng mm, các tàu sân bay có khả năng sử dụng các tần số 28GHz, 38GHz và thậm chí là cả 73GHz được coi như là tần số cuối cùng trong công nghệ không dây tương lai

Trong các tìm hiểu và nghiên cứu về dải sóng mm, ta có thể sử dụng các mô hình suy hao kinh điển để chứng minh rằng các hệ thống mmWave thực tế có độ phủ sóng tốt hơn các hệ thống di động ngày nay, và cũng có thể cung cấp thêm các mô hình suy hao mới cho những ước lượng tổn thất đường truyền với quy mô lớn cho các thế hệ di động tiếp theo, như hiện nay đã được thực hiện trong dải tần UHF Các mô hình suy hao phổ biến được khai thác bao gồm Free Space (FS), mô hình Okumura, mô hình Hata/COST231, mô hình của đại học Stanford (SUI)

2.2 Mô hình suy hao của dải tần và hệ thống thông tin di động ngày nay

Sự suy hao đường dẫn, điều chỉ ra khoảng cách phủ sóng RF(kích thước tế bào, ) cho các hệ thống thông tin di động sử dụng anten đa hướng, nó tỉ lệ nghịch với bình phương của tần số sóng mang, theo mô hình suy hao của Friss Trong quy hoạch di động, suy hao đường truyền phải được ước tính cho môi trường triển khai, và vùng phủ sóng di động được xác định dựa trên độ lợi của anten của trạm gốc (BS) và anten tại trạm di động (MS), công suất bức xạ đẳng hướng hiệu quả (EIRP), băng thông RF và điều chế cùng kỹ thuật mã hóa Suy hao đường truyền trong môi trường đô thị có thể ước lượng từ mô hình

Hata và phần mở rộng COST231 của mô hình Hata cho tần số sóng mang(fc) dưới 2GHz

và từ mô hình SUI cho fc trên 2GHz

trích dẫn [6,79]

Trong đó:

trích dẫn [6,79]

trích dẫn [6,79]

trích dẫn [6,79]

trích dẫn [6,79]

Trong đó là bước sóng đơn vị mét

trong phương trình (1.2) biểu thị suy hao trong không gian tự do ở đơn vị dB tại khoảng cách tham chiếu

và thể hiện các yếu tố hiệu chỉnh tần số và độ cao anten thu tương ứng

trong phương trình (1.1) là biến ngẫu nhiên theo hệ logarit ngẫu nhiên với 0dB và

độ lệch chuẩn [dB] trong đó 8.2< < 10.6 dB

Tần số f được tính theo đơn vị MHz

, lần lượt là chiều cao của anten phát và anten thu theo đơn vị mét

Các tham số a,b,c trong phương trình (1.3) là hằng số được sử dụng phù hợp với các kiểu địa hình gặp phải trong khu vực dịch vụ Ở đây, mô hình phù hợp với địa hình đồi núi và dày đặc ( kiểu địa hình SUI A), với các thông số như sau a = 4.6, b=0.0075, c=12.6 Mô hình suy hao trong phương trình trên được sử dụng để nghiên cứu các hệ thống di động tế bào ở nhiều thị trường trên thế giới Mô hình được tùy chỉnh theo các mô hình đã có sẵn ngày nay sao cho phù hợp đối với các dải tần số cao, tuy nhiên việc xuất hiện những khuyết điểm và hạn chế là không thể tránh khỏi khi sử dụng những mô hình

đã có sẵn và tùy chỉnh Theo các nghiên cứu và mô phỏng đã được công bố, mô hình SUI

chỉnh sửa không cho thấy suy hao chính xác nằm trong khoảng ước lượng đối với các tần

số ở dải sóng mmWave Vì vậy, cần có các mô hình mới và phù hợp với tần số 30GHz như trong đề tài, phần dưới chúng em có trình bày và đưa ra các nghiên cứu đó

2.3 Các mô hình suy hao đã được chỉ ra trong tần số 30GHz

Ban đầu ta cần thiết lập các chỉ số đo lường trong tần số 30GHz, N5224 PNA phân tích mạng vector (VNA) được sử dụng để cung cấp một tín hiệu đầu vào từ 26.5-40 GHz với băng thông đầy đủ có sẵn là 13.5 GHz, các thông số tán xạ phụ thuộc theo tần số Thí nghiệm sử dụng với công suất vào là 0 dBm, cung cấp một dải rộng xấp xỉ 80 dB và độ lệch tần 100 kHz, số lượng các điểm quét tần số là 801 điểm Các thông số được trình bày trong bảng 1.1

Bảng 1 1 Các thông số cho các mô hình suy hao của tần số 30GHz, trích dẫn [4,3-4]

Đối với một tần số cao như 30 GHz thì các mô hình suy hao được coi là rất phức tạp, nhưng các nghiên cứu trên thế giới đã chỉ ra các mô hình như sau :

 The single – frequency floating – intercept (FI)

 The single – frequency close – in (CI)

 The multi – frequency CI model with a frequency – dependent term (CIF)

 The multi – frequency alpha – gamma (ABG)

Mô hình suy hao đầu tiên là mô hình FI hoặc còn có thể gọi với tên gọi khác là 3GPP được định nghĩa như sau :

,trích dẫn [4,4-5]

Trong đó là một hàm của d là suy hao tổng cộng của mô hình, đơn vị là dB

là hệ số chỉ số suy hao ngăn chặn trên đường truyền không gian tự do đơn vị là dB, đường dẫn

là hệ số suy hao đường truyền (PLE – Path Loss Exponent) phụ thuộc vào khoảng cách đường truyền d

được quy định như shadow có thể mô hình hóa và sử dụng biến ngẫu nhiên Gauss với độ lệch chuẩn , đơn vị là dB

Để ước lượng và tính toán các thông số cho mô hình suy hao, người ta nghiên cứu dựa trên việc thu thập các dữ liệu rồi lựa chọn các giá trị trung bình Mô hình FI được sử dụng trong WINNER II và dự án 3GPP

Mô hình suy hao thứ hai CI được định nghĩa và miêu tả như sau:

,trích dẫn [4,4-5]

Trong đó là suy hao trong không gian tự do với tần số sóng mang là f cùng đường dẫn c là tốc độ của ánh sáng

cũng tương tự như mô hình của FI

Mô hình thứ ba là mô hình đa tần số mô hình CI và có thời hạn của tần số phụ thuộc (CIF) nó được mô tả như sau:

[dB]

(1.8), trích dẫn [4,5-6]

Các thông số của CIF gần như tương tự với CI, chỉ khác một thông số đó là b, nó đại diện cho sự phụ thuộc tần số tuyến tính của tổn hao đường truyền trên trung bình tất

cả các tần số và f0 được coi như một điểm tham chiếu, điển hình như trong các mô hình ta dùng 801 điểm quét và chiếu cho mô hình nên tham số b sẽ được thể hiện theo số lượng ấy

Cuối cùng mô hình đa tần số alpha – beta – gamma (ABG) được mô tả như sau:

[dB]

(1.9), trích dẫn [4,5-6]

Trong đó là tham số như trong mô hình FI, là tham số biểu thị sự phụ thuộc của tổn hao đường truyền trên tần số, với đơn vị chuẩn là 1 GHz

Các tham số của các mô hình suy hao của tần số 30 GHz được tổng hợp ở bảng sau:

F

(G

H

z)

PLE/β

B G

B G

C I F

A B G

B G

3

0

G

H

z

26.5 41.15 40.91 40.91

12.77

1.989 2.014

2.001 1.982

-0.003 1.991

0.070 0.096

0.267 0.262

Bảng 1 2 Tham số các mô hình suy hao trong dải tần 26.5-40 GHz, trích dẫn [4,5]

Từ bảng 1.2 ta có thể rút ra các mô hình suy hao của đường truyền tại tần số 30 GHz với các mô hình khác nhau như sau:

[dB] (1.10)

[dB] (1.11)

[dB] (1.12)

[dB] (1.13)

2.4 Các kết quả mô hình truyền sóng địa hình ngoài trời ở dải tần mmWave

Với các mô hình được chỉ ra ở trên, cho ta các dữ liệu được đo đạc thực tế với các điều kiện khác nhau, ở hai tần số điển hình là 28GHz và 73GHz Các thông số trong các

mô hình FI và CI với kịch bản UMi SC được chứa trong bảng 1.3 với mục đích so sánh các mô hình tổn hao với các thông số như phân cực tại các anten thu phát, định hướng anten

Có thể quan sát thấy từ bảng 1.3, mô hình CI cung cấp các giá trị tham số khá hợp

lý và trực quan và phù hợp với các cơ sở vật lý trong khi đó các tham số trong mô hình FI đôi khi mâu thuẫn với các nguyên tắc cơ bản Ví dụ, đối với kịch bản UMi SC môi trường LOS ở 73GHz, mô hình CI có chỉ số suy hao PLE = 2.0 phù hợp với không gian theo lý thuyết, trong khi đó đối với mô hình FI có giá trị α = -0.8 là không hợp lý, nó cho thấy suy hao mất dần và tỉ lệ thuận theo khoảng cách, cho thấy kênh truyền trong mô hình FI trên khá thụ động

Bảng 1.4 cũng cung cấp cho chúng ta khá đầy đủ và chi tiết các tham số trong dải tần số cao đối với các mô hình ABG, CI và CIF đa tần số Đối với môi trường LOS, cả hai

mô hình CI và CIF đều cung cấp một chỉ số suy hao phù hợp là PLE = 2.0, rất tốt đối với môi trường đó Ngược lại thì mô hình ABG lại cung cấp một giá trị α = 1.0, thấp hơn đáng kể so với PLE không gian trong lý thuyết Các mô hình CI và CIF cho thấy hầu như giống hệt nhau, có chăng mức tối đa chênh lệch giữa chúng chỉ dao động trong khoảng 0.2 dB Mô hình CIF mang lại giá trị PLE giống hệt với CI, và giá trị b trong mô hình CIF mang lại là rất nhỏ trong cả hai môi trường, chỉ ra rằng suy hao đường dẫn không đáng

kể Kết luận chung lại rằng, để tối ưu hóa các mô hình, thì mô hình CI là một mô hình đáng được lựa chọn nhất với hiệu quả nó đem lại và độ phức tạp vừa phải trong quá trình triển khai

Kịch

bản mô

phỏng

Môi trường

Phạm vi tần số (GHz)

Phạm vi khoảng cách (m)

Mô hình suy hao

PLE/α/n β (dB)

SC

LOS

NLOS

Indoor

Office

LOS

28 4.1-21.3

73

4.1-21.3

NLOS

28 3.9-45.9

73 3.9-41.9

Bảng 1 3 Bảng tham số của mô hình FI và CI trong hai tần số 28GHz và 73GHz, trích

dẫn [7,4-5]

Kịch

bản

mô

phỏng

Môi

trường Phạm vi tần số

(GHz)

Phạm vi khoảng cách (m)

Mô hình suy hao

PLE /α/n (dB) β

UMi

28-73.5

AB G

Indoor

Office

AB G

AB G

Bảng 1 4 Bảng tham số đặc trưng của các mô hình suy hao trong phạm vi tần số

28-73GHz, trích dẫn [7,4-5]

2.5 Các kết quả mô hình truyền sóng địa hình trong nhà ở dải tần mmWave

Để mô tả sự suy hao tín hiệu với địa hình trong nhà, các thông số cho các mô hình đơn FI, CI và các mô hình đa tần số CI, CIF, ABG đã được chỉ ra ở trong hai bảng 1.3 và 1.4 đã được trình bày ở trên giúp ta xác định và so sánh các dữ liệu và lựa chọn mô hình tối ưu tùy thuộc vào môi trường Các tham số trong các mô hình suy hao đơn nhấn mạnh

sự phụ thuộc của tần số đối với truyền tín hiệu trong địa hình trong nhà, các chỉ số PLE cũng được cung cấp với lần lượt từng mô hình chỉ ra sự giao thoa giữa tín hiệu và môi trường Tần số càng cao việc suy giảm ngày một lớn, trung bình mỗi một đơn vị khoảng cách được tăng lên thì sự suy giảm sẽ là 0.5 dB, đó là một vấn đề lớn trong việc triển khai các dịch vụ di động từ xa Mô hình FI vẫn là một mô hình không được ưu tiên lựa chọn với các chỉ số không phù hợp và có vẻ như bất hợp lý về mặt lý thuyết Ngoài ra, sự khác biệt là có trong độ lệch chuẩn của từng mô hình, từ đơn cho đến đa tần số Môi trường NLOS (10.3 dB cho ABG, 10.4 dB cho CIF và 10.9 dB đối với CI), độ lệch chuẩn tiêu chuẩn trong đo lường suy hao tại các tần số cao là trên 10 dB, ở đây tất cả các mô hình đều phù hợp, do đó ta nên lựa chọn các mô hình đơn giản như CI và CIF để mô hình trong nhà