Mô phỏng vùng phủ sóng di động trong nhà sử dụng phần mềm wireless insite

LỜI CẢM ƠN Qua trình học tập nghiên cứu Bộ môn Vi điện tử Vi hệ thống, trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội tơi hồn thành luận văn Trước hết cho xin gửi lới cảm ơn chân thành tới TS Trần Đức Tân, người thầy ln tận tình hướng dẫn, giúp đỡ, tạo điều kiện tốt cho suốt thời gian làm luận văn Tôi xin cám ơn cô Trần Thị Thúy Quỳnh hỗ trợ dẫn tơi hồn thành phần thực nghiệm Và xin cảm ơn thầy, cô, anh, chị, bạn khoa Điện tử viễn thông tạo điều kiện giúp đỡ, bảo cho lời khuyên vô quý báu Học viên Đinh Huy Hồng LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan kết trình bày luận văn nghiên cứu hướng dẫn TS Trần Đức Tân Các số liệu kết nêu luận văn trung thực chưa công bố cơng trình khác Hà Nội, ngày 29 tháng năm 2011 Người viết Đinh Huy Hoàng MỤC LỤC MỞ ĐẦU CHƯƠNG – TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN SÓNG .2 1.1 Hệ thống thông tin vô tuyến 1.2 Truyền sóng thơng tin di động [3] 1.3 Cơ chế lan truyền 1.3.1 Phản xạ 1.3.2 Nhiễu xạ 1.3.3 Tán xạ CHƯƠNG – TRUYỀN SĨNG MƠI TRƯỜNG TRONG NHÀ .8 2.1 Tổn hao đường truyền kích thước lớn 2.1.1 Mơ hình lan truyền khơng gian tự [3] 2.1.2 Mơ hình mát theo loga khoảng cách [3] 10 2.1.3 Che khuất loga chuẩn [3] 11 2.1.4 Mơ hình truyền sóng nhà 11 a) Mất mát vách ngăn nhà (cùng tầng) [4] 12 b) Mất mát sàn tầng [3], [4], [6] .13 c) Mơ hình mát theo loga khoảng cách [3], [4], [6] .14 d) Mơ hình nhiều điểm gãy Ericsson [3], [6] .16 e) Mơ hình nhân tử suy giảm [3], [4], [6] .16 f) Thẩm thấu tín hiệu từ máy phát ngồi vào tòa nhà [3], [4], [6] 19 2.2 Suy giảm đường truyền kích thước nhỏ [3],[6] 21 2.2.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến suy giảm kích thước nhỏ 21 a) Đa đường 22 b) Dịch tần Doppler 23 2.2.2 Các thông số kênh đa đường di động 23 2.2.3 Các loại suy giảm kích thước nhỏ 25 a) Kênh suy giảm phẳng 25 b) Kênh suy giảm chọn lọc tần số 26 c) Kênh suy giảm nhanh 26 d) Kênh suy giảm chậm 27 2.2.4 Phân bố Rayleigh Ricean 28 a) Phân bố Rayleigh 28 b) Phân bố Ricean 29 2.2.5 Một số mơ hình thống kê cho kênh suy giảm đa đường nhà .31 CHƯƠNG – MƠ PHỎNG VÙNG PHỦ SĨNG DI ĐỘNG TRONG NHÀ 32 3.1 Phần mềm mô điện từ trường Wireless Insite [7] 32 3.2 Mô phủ sóng tòa nhà G2 – Đại học Cơng Nghệ – ĐHQGHN 34 3.2.1 Tạo project 34 3.2.2 Kết mô .39 a) Công suất nhận anten phần trăm phủ sóng 39 b) Các đường truyền sóng .44 3.3 Đo thực nghiệm tòa nhà G2 45 3.4 Nhận xét so sánh kết mô đo đạc thực tế 48 a) Tại sảnh 49 b) Tại phòng 311 nhà G2 .50 KẾT LUẬN 51 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Mơ hình truyền tin .2 Hình 1.2: Mơ hình hệ thống thơng tin vơ tuyến Hình 1.3: Tia truyền thẳng Hình 1.4: Suy giảm Hình 1.5: Phản xạ Hình 1.6: Nhiễu xạ Hình 1.7: Tán xạ .7 Hình 2.1: Lan truyền sóng khơng gian tự Hình 2.2: Mơ hình Ericsson 16 Hình 2.3: Mối quan hệ suy hao xâm nhập số tầng tòa nhà 20 Hình 2.4: Hiện tượng truyền sóng đa đường 22 Hình 2.5: Minh họa hiệu ứng Doppler 23 Hình 2.6: Kênh fading phẳng 25 Hình 2.7: Kênh fading chọn lọc tần số 26 Hình 2.8: Các loại fading kết hợp [1] 27 Hình 2.9: Hàm mật độ xác suất phân bố Rayleigh 29 Hình 2.10: Hàm mật độ xác suất phân bố Ricean 30 Hình 3.1: Cửa sổ Main 33 Hình 3.2: “ Study area ” – toàn nhà G2 34 Hình 3.3: Biểu diễn dạng sóng miền thời gian tần số 37 Hình 3.4: Anten phát anten thu 37 Hình 3.5: Bố trí receiver theo kiểu polygon tầng 38 Hình 3.6: Bố trí receiver theo kiểu polygon tầng 38 Hình 3.7: Bố trí receiver theo kiểu polygon tầng 39 Hình 3.8:Một phần file cơng suất thu tầng 39 Hình 3.7: Công suất thu tầng 40 Hình 3.8: Cơng suất thu tầng 41 Hình 3.9: Cơng suất thu tầng 41 Hình 3.10: Vùng phủ sóng tầng vẽ MATLAB 43 Hình 3.11: Vùng phủ sóng tầng vẽ MATLAB 43 Hình 3.12: Vùng phủ sóng tầng vẽ MATLAB 43 Hình 3.13: Các đường truyền sóng tới điểm thu 44 Hình 3.14: Các đường truyền sóng tới tồn điểm thu tầng 44 Hình 3.14: Anten phát 45 Hình 3.15: Bộ cấp nguồn cấp xung RF cho anten phát .46 Hình 3.16: Anten thu .46 Hình 3.17: Hiển thị kết máy phân tích phổ 47 Hình 3.18: Cách đặt vị trí anten thu 47 Hình 3.19: Thao tác đo 48 Hình 3.20: Cơng suất đường sảnh 49 Hình 3.21: Cơng suất đường phòng 311 50 DANH MỤC BẢNG Bảng 2.1: Bảng mát theo loga khoảng cách [6] 10 Bảng 2.2: Mất mát vách ngăn vật chắn (trích) [6] .13 Bảng 2.3: Thừa số tổn hao tầng độ lệch chuẩn tòa nhà 13 Bảng 2.4: Số mũ tổn hao độ lệch chuẩn số nhà 15 Bảng 2.5: Hằng số suy giảm tòa nhà .17 Bảng 2.6: Các thừa số tổn hao tầng trung bình .18 Bảng 2.7: Số mũ mát độ lệch chuẩn cho số kiểu nhà .18 Bảng 2.8: Giá trị suy hao xâm nhập theo số tầng 20 Bảng 3.1: Các vật liệu dùng để xây dựng tòa nhà G2 34 Bảng 3.2: Vùng phủ sóng tòa nhà G2 với ngưỡng thu – 60 dBm 42 Bảng 3.3: Vùng phủ sóng tòa nhà G2 với ngưỡng thu – 55 dBm 42 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT LOS : Line Of Sight (tia có tầm nhìn thẳng) ERP : Cơng suất xạ hiệu dụng EIRP : Công suất xạ đẳng hướng hiệu dụng T–R : Khoảng cách máy thu máy phát FAF : Floor Atenuation Factor (thừa số tổn hao tầng) RF : Tần số vô tuyến Từ yếu tố như: cách bố trí tòa nhà; thơng số vật lý tường, trần, sàn, cửa kính, cửa gỗ với hiệu ứng đa đường; chương trình mơ tính tốn cho kết đầu Nếu đặt công suất ngưỡng mà anten thu nhận tín hiệu -60 dBm -55 dBm mức độ phủ sóng nhà G2 tổng số antenna nhận tín hiệu chia cho tổng số antenna khảo sát nhân với 100% Bảng 3.2: Vùng phủ sóng tòa nhà G2 với ngưỡng thu – 60 dBm Tầng Số anten khảo sát Cả tòa nhà 989 1161 1161 3311 Số anten đạt ngưỡng 831 937 909 2677 Phần trăm phủ sóng 84.02 80,71 78,30 80,85 Bảng 3.3: Vùng phủ sóng tòa nhà G2 với ngưỡng thu – 55 dBm Tầng Số anten khảo sát Cả tòa nhà 989 1161 1161 3311 Số anten đạt ngưỡng 645 685 740 2070 Phần trăm phủ sóng 65,22 59,00 63,74 62,52 Hình 3.10: Vùng phủ sóng tầng vẽ MATLAB Hình 3.11: Vùng phủ sóng tầng vẽ MATLAB Hình 3.12: Vùng phủ sóng tầng vẽ MATLAB b) Các đường truyền sóng Hình 3.13: Các đường truyền sóng tới điểm thu Hình 3.14: Các đường truyền sóng tới tồn điểm thu tầng Hình cho ta thấy, mơi trường nhà, có nhiều đường tín hiệu tới từ anten phát tới anten thu (điểm đánh dấu đen) Tia truyền thẳng có màu đỏ Hiện tượng đa đường tác động tới anten thu như: làm thay đổi độ mạnh tín hiệu hay gây nên lệch thời gian (tiếng vọng) Trong giới hạn luận văn không đề cập tới di chuyển máy phát máy thu hay chuyển động vật thể môi trường truyền nên không xảy tượng dịch tần Doppler Ngoài kết kể trên, Wireless Insite cho nhiều kết đầu khác như: mát đường truyền, trải trễ, đáp ứng xung phức, cơng suất tính theo khơng gian tự … 3.3 Đo thực nghiệm tòa nhà G2 Để đánh giá độ xác kết mơ phỏng, ta tiến hành đo đạc thực tế với thông số anten giống với mô phỏng: Anten phát: anten square loop đặt tòa nhà G2 với độ cao 5,2m, phát sóng hình sin tần số 915MHz Hình 3.14: Anten phát Hình 3.15: Bộ cấp nguồn cấp xung RF cho anten phát Anten thu anten dipol nửa sóng có chiều cao 0,8m, di chuyển Anten nối với máy phân tích phổ để hiển thị kết đo Hình 3.16: Anten thu Hình 3.17: Hiển thị kết máy phân tích phổ Tiến hành đo: Anten phát đặt cố định phát tín hiệu liên tục Anten thu di chuyển Trên tồn tòa nhà, ta đặt anten thu vị trí cách 1m theo hàng cột (như hình vẽ) Cách giống với cách chia theo kiểu polygon chương trình mơ Sau kết cơng suất thu hiển thị hình máy phân tích phổ, ta ghi đo tiếp điểm lại Cuối tổng hợp kết lại cho ta tranh toàn cảnh vùng phủ sóng tòa nhà Hình 3.18: Cách đặt vị trí anten thu Hình 3.19: Thao tác đo 3.4 Nhận xét so sánh kết mô đo đạc thực tế Kết mô đo đạc thực tế có sai số định Nguyên nhân yếu tố sau đây:  Khi tiến hành thực nghiệm, người đo đo đạc hết tất vị trí bên tòa nhà (khơng vào bị vướng, khoảng không cầu thang tầng 3)  Sự thay đổi phần cấu trúc tòa nhà (chia lại phòng, xây thêm phòng)  Có chi tiết khơng có mơ góp phần gây tổn hao, suy giảm đường truyền: cầu thang, lan can, cột nhà, đồ dùng phòng, nguồn gây nhiễu từ mạng GSM bên ngồi hay thiết bị có tần số gần với tần số anten phát ( 915 MHz ) …  Vật liệu mô chưa xác hồn tồn so với thực tế  Sai số người đo thực chưa hoàn toàn xác Do đo đạc thực tế chưa đầy đủ tồn vị trí cần thiết phải đo nên khó đưa kết phần trăm phủ sóng thực tế tầng tồn tòa nhà Thay vào ta so sánh vùng phủ phạm vi nhỏ như: sảnh tầng (truyền sóng bị khuất), phòng tầng ba (sóng truyền bị khuất nhiều) a) Tại sảnh Mô Ngưỡng thu -55 dBm -45 dBm Số anten khảo sát Số anten đạt ngưỡng Phần trăm phủ sóng 119 119 100 119 117 98,32 Đo thực tế Ngưỡng thu -55 dBm -45 dBm Số điểm khảo sát 119 119 Số điểm đạt ngưỡng 118 90 Phần trăm phủ sóng 99,16 75,63 Để có so sánh dễ dàng công suất thu trường hợp, ta vẽ đồ thị công suất thu đường sảnh (đường chia làm 17 điểm, khoảng cách điểm 1m) Hình 3.20: Cơng suất đường sảnh Đỏ: thực nghiệm Xanh: mô Nhận xét: Ta thấy hình dáng hai đồ thị tương đối giống (có sai khác biên độ) Ở điểm 13 đường thực nghiệm, tín hiệu thu bị giảm mạnh thực tế vị trí đó, đường truyền từ anten phát tới anten thu bị cản trở suy hao cột chống tầng (kích cỡ lớn khơng có mơ phỏng) b) Tại phòng 311 nhà G2 Mơ Ngưỡng thu -60 dBm -70 dBm Số anten khảo sát Số anten đạt ngưỡng Phần trăm phủ sóng 35 10 28,6 35 29 82,6 Đo thực tế Ngưỡng thu -60 dBm -70 dBm Số anten khảo sát Số anten đạt ngưỡng Phần trăm phủ sóng 35 8,6 35 27 77,14 Hình 3.21: Cơng suất đường phòng 311 Đỏ: thực nghiệm Xanh: mơ Nhận xét: Đường phòng chia làm điểm (khoảng cách điểm 1m) Từ điểm đến điểm hình dáng đồ thị có nét tương đồng, điểm 1,2, ta nhận thấy có khác tương đối (do nguyên nhân nêu trên) KẾT LUẬN Q trình truyền sóng mơi trường nhà phức tạp khó dự đốn xác cấu trúc, kết cấu, vật liệu xây dựng cơng trình khác nhau, mục đích sử dụng khác nhau: Sân bay, ga điện ngầm, văn phòng cao tầng, khu vực kinh doanh hàng hóa rộng lớn … Việc đảm bảo chất lượng thơng tin môi trường nhà cần thiết cho ứng dụng mà yêu cầu chất lượng ngày cao truy cập internet, điện thoại, … Để triển khai thực tế trước vấn đề mơ điện từ trường cần phải thực cẩn trọng đảm bào tính khả thi tiết kiệm chi phí Việc mơ truyền sóng điện từ mơi trường nhà đòi hỏi phải sử dụng mơ hình truyền sóng khác Ngồi yếu tố vật cản, vật liệu, ănten lắp đặt… ảnh hưởng tới kết thực tế nên cần phải đưa vào tốn mơ Luận văn đưa tính tốn phần trăm phủ sóng tòa nhà tầng thực tế dựa vào kết mô so sánh với số liệu thực nghiệm đo đạc Tuy nhiên kết mô thực tế khơng hồn tồn giống sai số người đo, cấu trúc vật dụng tòa nhà chưa tính tới, nhiễu khơng gian truyền sóng … Do để tăng tính hiệu quả, ta cần phải nâng cao tính xác mơ hình mơ Hướng nghiên cứu tiếp theo: Trong giới hạn luận văn, dạng sóng xung hình sin tần số 915 MHz phát từ anten đơn giản anten square loop Có thể mở rộng hướng nghiên cứu vào hệ thống thông tin di động thực tế hoạt động Điển hình hệ thống thơng tin di động tồn cầu GSM Khi nhiều vấn đề phải xem xét đến ví dụ như:  Dải tần rộng: 890 – 915 MHz (tuyến lên) 935 – 960 (tuyến xuống)  Nguồn tín hiệu: tín hiệu phát từ trạm BTS macro bên ngồi tòa nhà trạm indoor dành riêng (micro BTS)  Hệ thống phân phối tín hiệu gồm có: hệ thống thụ động (hệ thống anten phân phối cáp đồng trục phần tử thụ động), hệ thống chủ động (hệ thống anten phân phối sử dụng cáp quang thành phần chủ động), hệ thống lai ghép Phần tử xạ: có nhiệm vụ biến đổi lượng tín hiệu điện thành sóng điện từ phát ngồi khơng gian ngược lại Đối với cơng trình cụ thể đòi hỏi phải có phần tử xạ thích hợp: anten hay cáp dò (cáp tán xạ) TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Đặng Lê Khoa, “Bài giảng truyền thông không dây”, Đại học Khoa học tự nhiên – Đại học Quốc gia Tp Hồ Chí Minh, 2009 [2] Hồ Văn Quân, “Lý thuyết thông tin”, Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh [3] Trịnh Anh Vũ, “Thơng tin di động”, NXB Đại học Quốc gia Hà Nội, 2006 [4] Học viện cơng nghệ bưu viễn thơng, “Giáo trình Thông tin di động”, NXB Bưu điện, 2002 [5] N Nhung, Đ H Hoàng, T.T.T Quỳnh, T.Đ Nghĩa, T.Đ Tân, “Mơ phủ sóng di động tòa nhà sử dụng Wireless Insite”, Tạp chí Khoa học cơng nghệ Trường Đại học Công nghiệp, chấp nhận đăng tháng 12/2011 Tiếng Anh [6] Theodore S.Rappaport, “Wireless Communication: Principle and Practice”, Prentice Hall 1996 [7] “The Wireless Insite users manual”, htp://www.remcom.com/wirelessins ite [8] Tran Duc Tan, Do Duc Dung, Ta Duc Tuyen, Nguyen Van Hoang, “Innovative WiMAX Broadband Internet Access for Rural Areas of Vietnam using TV Broadcasting Ultra-High Frequency (UHF) Bands”, TENCON 2011, Indonesia, 11/2011 [9] Youssef, M.; Vahala, L.; Beggs, J.H., “Wireless network simulation in aircraf cabins”, IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium, 2004, pp 2223 – 2226 [10] Xuexia Yang and Yimin Lu, “Research on Propagation Characteristics of Millimeter Wave in Tunnels”, International Journal of Infrared and Millimeter Waves, Vol.28, No 10, pp 901-909, 2007 ... cho kênh suy giảm đa đường nhà .31 CHƯƠNG – MÔ PHỎNG VÙNG PHỦ SÓNG DI ĐỘNG TRONG NHÀ 32 3.1 Phần mềm mô điện từ trường Wireless Insite [7] 32 3.2 Mơ phủ sóng tòa nhà G2 – Đại học Công Nghệ... phần mềm mô điện từ trường Wireless Insite Luận văn bao gồm chương: Chương 1: Tổng quan truyền sóng Chương 2: Truyền sóng mơi trường nhà Chương 3: Mơ vùng phủ sóng di động nhà CHƯƠNG – TỔNG QUAN... bị di động nhỏ gọn có chức thu sóng từ nhà cung cấp dịch vụ Đối với tòa nhà lớn nhà cao tầng, siêu thị, sân bay, ga tàu điện ngầm … vấn đề vùng phủ dung lượng truyền sóng quan trọng Đặc trưng vùng