5G Pathloss Model Wireless Communication

MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH ẢNH DANH MỤC BẢNG BIỂU .6 LỜI NÓI ĐẦU A Cơ sở lý thuyết Chương 1: Giới thiệu truyền sóng thơng tin di động 5G 1.1 Định nghĩa 1.2 Phát triển mạng 5G 1.3 Ưu điểm mạng 5G so với hệ mạng trước (2G, 3G, 4G) Chương 2: Nghiên cứu suy hao truyền sóng thông tin di động 5G 10 2.1 Mục tiêu 10 2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến suy hao 10 2.3 Các mơ hình suy hao truyền sóng thơng tin di động 5G 10 Chương 3: Các mơ hình suy hao 11 3.1 Mơ hình 3GPP 11 3.1.1 Giới thiệu 3GPP 11 3.1.2 Mơ hình Large-Scale Path Loss 3GPP 11 3.1.2.1 Mơ hình UMi Large-Scale Path Loss 11 3.1.2.2 Mơ hình UMa Large-Scale Path Loss 13 3.1.3 Mơ hình Indoor Office Path Loss 14 3.1.3.1 Mơ hình Indoor Office Path Loss LOS 14 3.1.3.2 Mơ hình 3GPP Indoor Office Path Loss NLOS 14 3.2 Mơ hình SUI 15 Báo cáo Bài tập lớn Thông tin vô tuyến GVHD: PGS TS Vũ Văn Yêm 3.2.1 Giới thiệu 15 3.2.2 Các loại mơ hình SUI 15 3.2.2.1 Mơ hình SUI (hoặc mơ hình Erceg) .15 3.2.2.2 Mơ hình SUI với yếu tố hiệu chỉnh 16 3.2.2.3 Mơ hình SUI mở rộng 17 3.3 Mơ hình suy hao CI 17 3.3.1 Giới thiệu 17 3.3.2 Các loại mơ hình suy hao CI .18 3.3.2.1 Mơ hình suy hao CI 18 3.3.2.2 Mơ hình suy hao CIF 19 3.3.2.3 Mơ hình suy hao CIH 19 B Mô Matlab 22 Chương 4: Mơ mơ hình suy hao 3GPP 22 4.1 Mô Umi Large Scale Path Loss 22 4.1.1 Code MATLAB 22 4.1.2 Kết mô .23 4.2 Mơ hình UMa large-scale Path Loss 24 4.2.1 Code MATLAB 24 4.2.2 Kết mô .25 4.3 Mơ hình Indoor Office Path Loss 26 4.3.1 Code MATLAB 26 4.3.2 Kết mô .27 Chương 5: Mơ mơ hình suy hao SUI 28 5.1 Code mô MATLAB 28 5.2 Kết mô 29 Báo cáo Bài tập lớn Thông tin vô tuyến GVHD: PGS TS Vũ Văn Yêm Chương 6: Mơ mơ hình suy hao CI 30 6.1 Code MATLAB .30 6.2 Kết mô 31 C KẾT LUẬN 33 TÀI LIỆU THAM KHẢO 34 Báo cáo Bài tập lớn Thông tin vô tuyến GVHD: PGS TS Vũ Văn m DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 3.1 Mối quan hệ chiều cao trạm gốc TX giảm suy hao NLOS với khoảng cách tách T-R từ 150m đến 5km trung bình tất khoảng cách T-R, cho mơ hình suy hao 3GPP RMa NLOS Chiều cao trạm di động (hUT) 1.5m [1] 20 Hình 4.1 Mơ hình UMi Large-Scale Path Loss 23 Hình 4.2 Mơ hình UMa Large-Scale Path Loss .26 Hình 4.3 Mơ hình Indoor Office Path Loss LOS NLOS 27 Hình 5.1 Mơ hình suy hao mở rộng cua Stanford (SUI mở rộng) 29 Hình 6.1 Kết mơ PLCIH [dB] theo khoảng cách 3D T-R (d3D [m]) chiều cao trạm gốc hBS [m] 30GHz 31 Hình 6.2 Hình ảnh phóng đại khoảng đồ thị hình 6.1 .31 Báo cáo Bài tập lớn Thông tin vô tuyến GVHD: PGS TS Vũ Văn Yêm DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 3.1 Hằng số phụ thuộc vào loại địa hình [2] 16 Bảng 6.1 Các tham số mơ hình CIH 30 GHz 30 Báo cáo Bài tập lớn Thông tin vô tuyến GVHD: PGS TS Vũ Văn Yêm LỜI NÓI ĐẦU Với tốc độ phát triển ngày mạnh mẽ hệ thống thông tin, nguồn tài nguyên tần số hữu hạn, yêu cầu người cần biết khai thác cách triệt để ứng dụng lĩnh vực khoa học công nghệ ngày Theo xu hướng phát triển giới, mảng siêu cao tần ứng dụng công nghệ cao nhằm nâng cao đời sống người phục vụ nhu cầu công nghệ ngày tối tân xã hội Trong hệ thống thông tin di động Việt Nam nay, mạng di động hệ thứ (4G) triển khai, giúp người dùng dễ dàng truy cập Internet với tốc độ cao Tuy nhiên, phát triển nhanh cơng nghệ đòi hỏi cần phải có mạng lưới internet với tốc độ cao Chính vậy, việc triển khai mạng di động hệ thứ (5G) vào thực tế điều hoàn toàn cần thiết 5G mang đến cho người dùng nhiều tiện ích, bên cạnh chúng kỳ vọng cung cấp cho khách hàng dịch vụ với chất lượng tốc độ cao nhất, vùng phủ sóng mở rộng bao quát cách mạnh mẽ Tuy nhiên, song song với lợi ích mà mang lại, vấn đề suy hao truyền dẫn thông tin điểm vô quan trọng hệ thống thơng tin chịu nhiều ảnh hưởng từ yếu tố môi trường, gây nên truyền trễ Suy hao tỉ lệ thuận với tần số truyền dẫn sóng, mà đặc biệt tốn giải suy hao truyền dẫn siêu cao tần lại đóng vai trò quan trọng Vì vậy, đề tài tập lớn này, hướng dẫn thầy PGS.TS Vũ Văn Yêm, chúng em tập trung tìm hiểu mơ mơ hình suy hao (pathloss model) thông tin di động 5G Qua đây, chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy PGS.TS Vũ Văn Yêm tạo điều kiện giúp đỡ chúng em hoàn thành đề tài có kiến thức bổ ích Báo cáo Bài tập lớn Thông tin vô tuyến GVHD: PGS TS Vũ Văn Yêm A Cơ sở lý thuyết Chương 1: Giới thiệu truyền sóng thơng tin di động 5G Trong chương này, tìm hiểu khái niệm mạng 5G, phát triển ưu, nhược điểm thực tế 1.1 Định nghĩa Thế hệ mạng di động thứ (hoặc hệ thống không dây thứ - 5G) hệ công nghệ truyền thông di động sau hệ 4G, hoạt động dải tần số 28 GHz, 38 GHz, 60 GHz… Mạng 5G có tốc độ nhanh khoảng 100 lần so với mạng 4G Mạng 5G đạt bước tiến vượt bậc từ tầm nhìn cơng nghệ trở thành yếu tố quan trọng chiến lược phát triển mạng lưới kinh doanh nhà khai thác viễn thông 1.2 Phát triển mạng 5G Do mạng 5G sử dụng tần số cỡ GHz nên dải sóng sử dụng sóng milimét (Millimetre wave) Bước sóng 5G có xu hướng sử dụng tầm gần, hoạt động với khoảng cách ngắn Thay trạm sở mặt đất (2G, 3G, 4G) 5G sử dụng trạm HAPS (High Altitude Stratospheric Platform Stations) Trạm HAPS máy bay treo lơ lửng vị trí cố định khoảng cách từ 17km ~ 22km so với mặt đất hoạt động vệ tinh Cách giúp đường tín hiệu thẳng giảm tình trạng bị cản trở kiến trúc cao tầng Hiện sử dụng tần số cao (cỡ GHz) nên mạng 5G chưa cục tần số cấp phép cho sử dụng dải tần này, thử nghiệm quy mơ nhỏ, phòng thí nghiệm Để đưa hệ thống 5G vào sử dụng người ta xây dựng trạm sở có khả bao phủ diện tích lớn, giảm thiểu Báo cáo Bài tập lớn Thông tin vô tuyến GVHD: PGS TS Vũ Văn Yêm vấn đề diện tích ngồi vùng phủ sóng hay biển, ảnh hưởng tòa nhà cao tầng thị… Khó khăn: Tuy lợi ích vậy, để cung cấp 5G, nhà mạng phải cải tiến, nâng cao chất lượng trạm gốc Khi họ khai thác dải phổ trống (sóng từ MHz lên GHz hay chí nhanh hơn) 1.3 Ưu điểm mạng 5G so với hệ mạng trước (2G, 3G, 4G) Tốc độ 5G vượt trội (10Gbps), băng thông cao, giúp tải phim vài giây, giao tiếp tốt với thiết bị (nhà thông minh…), áp dụng vào trí tuệ nhân tạo… Với độ trễ thấp hiệu suất hoạt động cao khu vực đông dân cư, 5G đem đến nhiều ứng dụng: xe tự lái, tính chat video có hình ảnh mượt trơi chảy – chìa khóa để vào giới “Mạng lưới vạn vật kết nối Internet” (IoT) Qua chương I, thấy ưu, nhược điểm mạng 5G, từ việc nghiên cứu, tính tốn suy hao truyền sóng 5G nhiệm vụ cần thiết Báo cáo Bài tập lớn Thông tin vô tuyến GVHD: PGS TS Vũ Văn Yêm Chương 2: Nghiên cứu suy hao truyền sóng thơng tin di động 5G Như đề cập trên, suy hao truyền sóng 5G phụ thuộc nhiều vào yếu tố Vì chương 2, tìm hiểu yếu tố ảnh hưởng đến truyền sóng 5G đưa số mơ hình suy hao tiêu biểu 2.1 Mục tiêu Việc nghiên cứu mô hình suy hao qua mơ hình tồn học giúp nhà mạng biết ảnh hưởng môi trường xung quanh đến việc truyền thông tin từ trạm phát đến nơi thu Đặc biệt, với hệ mạng 5G chưa triển khai, việc nghiên cứu mơ hình suy hao quan trọng sở để xây dựng hạ tầng mạng Từ bố trí trạm phát nào, hệ thống anten truyền phải có kích cỡ để đảm bảo độ nhạy tín hiệu, phương thức truyền sóng (CDMA, BDMA,…) để yếu tố ảnh hưởng môi trường nhỏ nhất, đảm bảo tốc độ chất lượng đường truyền 2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến suy hao - Mơi trường truyền dẫn: thời tiết, khí hậu, địa hình Khoảng cách truyền sóng (tư máy thu đến nguồn phát) Tần số sóng mang 2.3 Các mơ hình suy hao truyền sóng thơng tin di động 5G  Ở đây, tập trung tìm hiểu với tần số 30GHz  Đối với tần số cao 30 GHz mơ hình suy hao coi phức tạp, trình bày mơ hình sau: o Mơi hình suy hao 3GPP o Mơ hình suy hao Stanford (SUI) o Mơ hình suy hao CI Báo cáo Bài tập lớn Thông tin vô tuyến GVHD: PGS TS Vũ Văn m Chương 3: Các mơ hình suy hao Trong chương tìm hiểu mơ hình liệt kê trên, từ đưa cơng thức tính suy hao truyền sóng với tham số tương ứng với mơ hình 3.1 Mơ hình 3GPP 3.1.1 Giới thiệu 3GPP 3GPP: (3rd Generation Partnership Project) hợp tác nhóm hiệp hội chuẩn viễn thơng (được gọi Organizations Partners) Ban đầu 3GPP lập để nghiên cứu đặc điểm hệ thống di động 3G để áp dụng phạm vi tồn cầu dựa theo thơng số kỹ thuật hệ thống di động GSM Phạm vi sau mở rộng cho mơ hình truyền sóng khác, bao gồm việc phát triển, nghiên cứu tổn hao, bảo trì hệ thống… Với mạng 5G người ta áp dụng mơ hình truyền sóng 3GPP 38.901 hoạt động dải tần từ 0.5 GHz – 100 GHz, đáp ứng chuẩn quốc tế cho mạng tế bào 5G 3.1.2 Mơ hình Large-Scale Path Loss 3GPP Mơ hình Large-scale path loss gồm mơ hình con:  UMi Large-Scale Path Loss (Urban Micro Large-Scale Path Loss): Mơ hình suy hao vi mơ  UMa Large-Scale Path Loss (Urban Macro Large-Scale Path Loss): Mơ hình suy hao vĩ mơ 3.1.2.1 Mơ hình UMi Large-Scale Path Loss Mơ hình UMi Large-Scale Path Loss: Nghiên cứu suy hao việc truyền sóng 5G tầm nhìn thẳng (LOS) khơng phải tầm nhìn thẳng (NLOS) Mơi trường xét nơi có mật độ dân cư mở (hẻm núi, đường phố…) với giả thiết chiều cao trạm gốc không cao mái nhà (chiều cao từ 3m - 20m), khoảng cách trung bình thiết bị thu phát người sử dụng với mặt đất 1.5m Xây dựng cơng thức tính mơ hình UMi Large-Scale Path Loss: 10 Báo cáo Bài tập lớn Thông tin vô tuyến GVHD: PGS TS Vũ Văn Yêm (một mô đơn giản xác nhận điều này) Chiều cao RX kịch nông thôn, định 3GPP, phạm vi từ 1.5m đến 10m, khơng đáng kể xem xét khoảng cách tách T-R nhiều km Do đó, chúng tơi chọn chiều cao TX tham số môi trường đáng kể để đưa vào mơ hình suy hao đường dẫn RMa Hình 3.1 Mối quan hệ chiều cao trạm gốc TX giảm suy hao NLOS với khoảng cách tách T-R từ 150m đến 5km trung bình tất khoảng cách T-R, cho mơ hình suy hao 3GPP RMa NLOS Chiều cao trạm di động (hUT) 1.5m [1] Hình 3.1 cho thấy ảnh hưởng chiều cao trạm gốc (hBS) suy hao NLOS cho loạt khoảng cách T-R 3D (150m, 500m, 1km, 2.5km 5km) kết trung bình tất khoảng cách Việc giảm suy hao đường dẫn biểu thị Hình 3.1 cho mơ hình 3GPP NLOS RMa không phụ thuộc vào tần số cách tăng chiều cao TX từ 10m lên 150m, suy hao giảm xuống tương ứng khoảng 26 dB 32 dB, cho khoảng cách tách T-R 150m 5km Sự khác biệt suy hao cho thấy tiềm cải thiện hàng ngàn lần lượng nhận tần số RX tăng chiều cao anten TX từ 10m lên 150m Do đó, chiều cao TX coi tham số quan trọng cho ước tính mơ hình suy hao đường dẫn RMa Ở mở rộng mơ hình CI để bao gồm trạm sở có chiều cao khác 18 Báo cáo Bài tập lớn Thông tin vô tuyến GVHD: PGS TS Vũ Văn Yêm (mơ hình CIH), cho mơ hình trì vào PLFS khoảng cách tham chiếu gần, độ tin cậy mơ hình PLE phụ thuộc vào chiều cao trạm gốc Các mơ hình CIH lấy cảm hứng từ mơ hình CIF, chứng minh mơ hình hóa phụ thuộc tần số đơn điệu suy hao cho kênh nhà khác lặp lặp lại biểu suy hao tăng tần số tăng Mơ hình CIF kết hợp PLE hàm tần số tính đến phụ thuộc tần số thực tế, giữ lại sở vật lý phụ thuộc tần số phương trình Friis khoảng cách gần Bằng cách kết hợp chiều cao TX điều chỉnh cho PLE, mơ hình hóa hiệu ứng suy hao thứ cấp chiều cao anten Giống mơ hình CIF thu hiệu ứng phụ thuộc tần số thứ cấp, giữ lại phụ thuộc tần số PLFS khoảng cách gần Mơ hình CIH có dạng tương tự mơ hình CIF đưa cho d = 1m: PLCIH(fc,d,hBS) [dB] = 32.4 + 20log(fc) + 10nlog(d) + χσ(3.14) , hBS chiều cao trạm gốc RMa tính mét hB0 chiều cao trạm gốc mặc định trung bình chiều cao trạm phát từ tập đo lường Sự phụ thuộc khoảng cách suy hao dẫn ký hiệu n (tương tự PLE mô hình CI) btx tham số mơ hình có trọng số dùng để biểu diễn phụ thuộc tham số n với chiều cao trạm gốc so với chiều cao trạm gốc trung bình (hay mặc định) hB0 Tương tự mơ hình CIF, mơ hình CIH trở thành mơ hình CI b tx = (không phụ thuộc vào chiều cao trạm gốc vượt mét lan truyền không gian tự do), hBS = hB0 PLE hiệu dụng (PLEeff) PLE có kết n biểu thị qua btx chiều cao trạm gốc (3.14), cho: PLEeff = n (3.15) 19 Báo cáo Bài tập lớn Thông tin vô tuyến GVHD: PGS TS Vũ Văn Yêm B Mô Matlab Trong phần này, mô số mơ hình suy hao 5G cơng cụ MATLAB Việc biểu diễn mơ hình suy hao 5G đồ thị giúp ta có nhìn trực quan từ xác định vị trí đặt trạm gốc, trạm phát để suy hao truyền sóng nhỏ nhất, giảm trễ đường truyền Chương 4: Mô mô hình suy hao 3GPP Với mơ hình suy hao 3GPP, ta cần phải mơ suy hao truyền sóng phạm vi nhỏ (UMi) phạm vi lớn (UMa) Một yếu tố không nhắc đến suy hao tòa nhà, cơng trình hấp thụ sóng gây suy hao, từ tạo nên trễ truyền dẫn 4.1 Mô Umi Large Scale Path Loss Ta giả thiết truyền sóng 5G với dải tần 30GHz (fc = 30GHz) Chiều cao thiết bị sử dụng hUE = 5m, chiều cao trạm gốc hBS = 10m, vận tốc sóng truyền chân khơng c = 3x108 m/s Sự suy hao truyền sóng 5G phụ thuộc vào khoảng cách T-R không gian chiều (d3D) (ở ta xét d3D khoảng từ 1000m đến 30000m)  d’BP= 4.(10-1).(5-1).30.109/(3.108) = 14400(m) (theo (3.1)) 4.1.1 Code MATLAB d3D = 1000:1:30000; PL1 = 32.4+21*log10(d3D)+209.54; PL2 = 32.4+40*log10(d3D)+209.54-9.5*log10((14400)^2+(10-5)^2); PL3 = 35.3*log10(d3D)+22.4+21.3*log10(30*10^9)-0.3*3.5; plot(d3D,PL1,'r',d3D,PL2,' b',d3D,PL3,'b'); xlabel('d3D [m]'); ylabel('PL [dB]'); title('Mo hinh UMi Large-Scale Path Loss'); 20 Báo cáo Bài tập lớn Thông tin vô tuyến GVHD: PGS TS Vũ Văn Yêm legend('UMi-LOS 10m