Mô hình phủ sóng và giao thoa

Mô hình phủ sóng và giao thoa

Giáo viên hướng dẫn : TS Lê chí quỳnh

Sinh viên thực hiện : phạm trọng đại

Mã số sinh viên : 505102009

Đề tài: Mô hình phủ sóng & giao thoa

2.2 Các thuộc tính quan trọng của anten 26

2.2.1 Hệ số tăng ích và hệ số định hướng của anten 27

2.2.2 Công suất bức xạ hiệu dụng ERP và EIRP 30

2.2.3 Hình dạng búp sóng 32

3.2 Mô hình SAKAGAMIKUBOL 46

3.3 Mô hình Hata 47

3.4 Mô hình COST231 – Walfish – Ikegami 48

Chương IV Mô hình truyền sóng trong nhà 4.1 Các mô hình thực nghiệm 52

4.1.1 Truyền sóng bên ngoài vào bên trong tòa nhà 52

4.1.2 Truyền sóng bên trong tòa nhà 60

4.2 Mô hình giải tích truyền sóng trong nhà ( Ray tracing) 72

Phần III

Chương trình mô phỏng

Chương V

Tổng quan về visual basic 6.0

5.1 Giới thiệu về Visual Basic 6.0 79

5.2 Cài đặt Visual Basic 6.0 79

5.3 Làm quen với VB6 80

5.3.1 Bắt đầu một dự án mới với VB6 80

5.3.2 Tìm hiểu các thành phần của IDE 81

5.3.3 Sử dụng thanh công cụtrong IDE của VB 82

5.3.4 Quản lý ứng dụng với Project Explorer 84

5.3.5 Cửa sổForm Layout 85

5.3.6 Biên dịch đề án thành tập tin thực thi 85

5.4 Biểu mẫu và một số điều khiển thông dụng 86

5.4.1 Các khái niệm 86

Chương VI Chương trình mô phỏng 6.1 Giới thiệu 88

6.2 Chương trình mô phỏng xác định vị trí trạm BTS và khoảng cách từ BTS đến MS 89

6.2.1 Các bước thực hiện 89

6.2.2 Mã nguồn chương trình mô phỏng xác định vị trí trạm BTS và khoảng cách từ BTS đến MS 92

6.3 Chương trình mô phỏng xác định giá trị suy hao khoảng cách từ BTS đến MS 114

Mục lục hình vẽ

Trang

Hình 1.1 Thành phần của một hệ thống phủ sóng trong nhà 11

Hình1.2 Tín hiệu thâm nhập vào tòa nhà từ bên ngoài 12

Hình 1.3 Vùng phủ cho trong tòa nhà từ một tế bào macro trong mạng BTS outdoor macro 12

Hình 1.4 Outdoor repeater 13

Hình 1.5 Vùng phủ cho tòa nhà được cung cấp bởi trạm indoor riêng 13

Hình 1.6 Indoor Repeater 14

Hình 1 7 Giải pháp hệ thống phân phối cáp đồng trục thụ động 14

Hình 1.8 Sơ đồ một hệ thống anten phân phối chủ động cho khu trường sở 15

Hình 1 9 Sơ đồ một hệ thống anten phân phối chủ động cho một tòa nhà cao tầng 16Hình 1.10 Sơ đồ hệ thống lai ghép 16

Hình 1.11 Hệ thống phân phối cáp rò 17

Hình 1.12 So sánh suy hao tường theo mô hình Keenan Motley với suy hao không gian tự do và công thức xấp xỉ 20

Hình 1.13 Sơ đồ một hệ thống phân phối antenna thụ động đơn giản 21

Hình 2.1 Trường bức xạ xung quanh anten 25

Hình 2.2 Độ tăng ích của anten 27

Hình 2.3 Công suất bức xạ hiệu dụng của anten 31

Hình 2.4 Độ tăng ích của anten isotropic so với anten dipole 32

Hình 2.6 Hình dạng búp sóng bức xạ trên mặt phẳng ngang 34

Hình 2.7 Hình dạng búp sóng bức xạ trên mặt phẳng đứng 34

Hình 2.8 Hình dạng búp sóng bức xạ trong không gian 3 chiều 35

Hình 2.9 Sự phân cực 37

Hình 2.10 Một số cấu hình của anten thu phân tập không gian 39

Hình 2.11 Tín hiệu thu phân tập theo không gian 40

Hình 2.12 Thu phân tập theo cực tính 41

Hình 3.1: Nhiễu xạ bờ 43

Hình 3.2: Đường cong dự đoán suy hao 45

Hình 3.3: Các tham số trong mô hình Walfish- Ikegami 51

Hình 4.1 Trạm BTS dùng ở ngoại ô 53

Hình 4.2 Trạm BTS dùng cho nhà cao tầng 53

Hình 4.3 Phân bố tích lũy của sự thay đổi tín hiệu tại tần số 900MHz trong tòa nhà không có đường truyền LOS 58

Hình 4.4 Mối quan hệ giữa suy hao xâm nhập và số tầng tòa nhà 59

Hình 4.5 Mô hình phủ sóng trong các tòa nhà cao tầng 61

Hình 4.6 Sơ đồ mô tả hệ thống phủ sóng trong các tòa nhà cao tầng 62

Hình 4.7 Dạng trễ tín hiệu lan truyền trong một tòa nhà 6 tầng 69

Hình 4.8 Phân bố tích lũy của trễ lan truyền trong hai tòa nhà văn phòng 69

Hình 4.9 Ví dụ đơn giản về mô hình lan truyền sóng indoor 73

Hình 5.1: Cửa sổ khi kích hoạt VB6 80

Hình 5.3: Cửa sổ IDE của VB6 81

Hình 5.6: Thanh công cụ gỡ rối 83

Hình 5.7: Thanh công cụ Edit 83

Hình 5.8: Thanh công cụ thiết kế biểu mẫu 83

Hình 5.9: Hộp công cụ của VB 84

Hình 6.1 Giao diện chính của chương trình 88

Hình 6.2 Xác định tần số làm việc 89

Hình 6.3 Xác định số tầng của tòa nhà 90

Hình 6.4 Nhập giá trị suy hao 90

Hình 6.4 ( b) Nhập giá trị suy hao phía bên trái 91

Hình 6.4 ( c) Nhập giá trị suy hao bên phải 91

Hình 6.5 Mô phỏng chương trình 92

Hình 6.6 Xác định tần số làm việc 114

Hình 6.7 Xác định số tầng của tòa nhà 115

Hình 6.8 (a) Nhập khoảng cách từ BTS đến MS 115

Hình 6.8 ( b) Nhập khoảng cách từ BTS đến MS phía bên trái 116

Hình 6.8 (c) Nhập khoảng cách từ BTS đến MS phía bên phải 116

Hình 6.9 Chương trình mô phỏng xác định giá trị suy hao 117

Hình 6.10 : Xác định tần số làm việc 135

Hình 6.11 Mô phỏng và xác định giá trị góc ngẩng 136

Lời cam đoan

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Số liệu và tài liệu nêu trong đồ án tốt nghiệp là trung thực Các kết quả nghiên cứu do chính tôi thực hiện dưới sự chỉ đạo của cán bộ hướng dẫn

Lời Mở đầu

Để mở rộng thị phần, ngoài việc cạnh tranh về giá cả, dịch vụ giá trị gia tăng, chăm sóc khách hàng các nhà cung cấp dịch vụ di động cũng không ngừng tập trung phát triển mạng lưới để có vùng phủ rộng, phủ sâu, chất lượng phủ sóng tốt Tuy nhiên, ngay cả đối với các công ty cung cấp dịch vụ di động đã phủ sóng 64/64 tỉnh thành có một vấn đề cần quan tâm là tại một số thành phố lớn như Hà Nội, TP Hồ Chí Minh chất lượng phủ sóng trong các tòa nhà, đặc biệt là các tòa nhà cao tầng của khách sạn, văn phòng chưa được đảm bảo Tại các tầng thấp thường có tình trạng sóng yếu, chập chờn, ở các tầng cao thì nhiễu ( nhất là đối với các nhà khai thác chia sẻ chung băng tần GSM) dẫn đến khó thực hiện và rớt cuộc gọi Một trong các giải pháp nhằm khắc phục hiện tượng trên và đảm bảo chất lượng cho khách hàng được các công ty áp dụng đó là giải pháp phủ sóng trong nhà (inbuilding)

Có thể nói hiện nay đối với các tòa nhà lớn như là sân bay, ga điện ngầm, văn phòng cao tầng, siêu thị kinh doanh hàng hóa rộng lớn thì vấn đề vùng phủ và dung lượng đều rất quan trọng vì chất lượng thoại di động ảnh hưởng trực tiếp đến uy tín của nhà cung cấp dịch vụ Tuy nhiên, do đặc trưng vùng phủ của những khi vực này rộng hoặc trải dài theo chiều dọc, sóng vô tuyến từ trạm BTS bên ngoài tòa nhà (BTS outdoor macro) bị suy hao nhiều khi xuyên qua các bức tường bê tông dẫn đến cường độ tín hiệu không đạt yêu cầu, nên giải phải phủ sóng trong tòa nhà hiện nay được nhiều nhà cung cấp dịch vụ di động lựa chọn

Mục tiêu của đồ án là nghiên cứu về vần đề ảnh hưởng tới chất lượng phủ sóng trong hệ thống Inbuilding và đưa ra các giải pháp khắc phục

Nội dung đồ án bao gồm các phần sau:

Em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ tận tình của TS Lê Chí Quỳnh cùng các Thầy cô trong khoa Công nghệ Thông tin, chuyên ngành Điện tử Viễn thông đã giúp em hoàn thành đồ án tốt nghiệp

Em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày 21 tháng 02 năm 2009 Sinh viên

Phạm Trọng Đại

Phần I

Cơ sở lý thuyết

Chương I

Hệ thống Inbuilding 1.1 Giới thiệu về hệ thống inbuilding

Có thể nói hiện nay đối với các tòa nhà lớn như là sân bay, ga điện ngầm, văn phòng cao tầng, siêu thị kinh doanh hàng hóa rộng lớn thì vấn đề vùng phủ và dung lượng đều rất quan trọng vì chất lượng thoại di động ảnh hưởng trực tiếp đến uy tín của nhà cung cấp dịch vụ Tuy nhiên, do đặc trưng vùng phủ của những khi vực này rộng hoặc trải dài theo chiều dọc, sóng vô tuyến từ trạm BTS bên ngoài tòa nhà (BTS outdoor macro) bị suy hao nhiều khi xuyên qua các bức tường bê tông dẫn đến cường độ tín hiệu không đạt yêu cầu, nên giải phải phủ sóng trong tòa nhà hiện nay được nhiều nhà cung cấp dịch vụ di động lựa chọn

Hệ thống inbuilding bao gồm 3 phần chính: nguồn tín hiệu, hệ thống phân phối tín hiệu và phần tử bức xạ Trong đó hệ thống phân phối tín hiệu là điểm khác biệt điển hình giữa hệ thống inbuilding so với hệ thống mạng BTS outdoor macro thông thường

Nguồn tín hiệu Hệ thống phân phối tín hiệu Phần tử bức xạ

Hình 1.1 Thành phần của một hệ thống phủ sóng trong nhà

Bộ lặp hoặc

BTS

Cáp rò hoặc Anten Hệ thống phân phối thụ động

hoặc

Hệ thống phân phối tích cực Hoặc

Hệ thống phân phối lai ghép

1.1.1 Nguồn tín hiệu

Để phủ sóng cho inbuilding ta có thể dùng:

a Nguồn tín hiệu bằng trạm outdoor

Đây là giải pháp đơn giản nhất để cung cấp vùng phủ cho các tòa nhà với tín hiệu từ các trạm macro bên ngoài tòa nhà Giải pháp này được khuyến nghị nếu lưu lượng trong tòa nhà không cao, hoặc chủ tòa nhà không cho phép lắp đặt thiết bị và đi cáp trong tòa nhà hoặc triển khai giải pháp dành riêng cho nó không kinh tế Khi đó vùng phủ được cung cấp bằng cách:

Tín hiệu sẽ thâm nhập vào tòa nhà từ bên ngoài Điều này chỉ thực hiện được đối với các tòa nhà có khoảng hở lớn đối với bên ngoài hoặc ít tường, cửa sổ kim loại

Hình1.2 Tín hiệu thâm nhập vào tòa nhà từ bên ngoài

Đặt BTS trên các tòa nhà xung quanh và hướng anten tới tòa nhà cần phủ Khi đó không cần đến hệ thống phân phối tín hiệu nữa và phần tử bức xạ chính là anten của trạm BTS outdoor macro đó

Hình 1.3 Vùng phủ cho trong tòa nhà từ một tế bào macro trong mạng BTS

ã Ưu điểm của giải pháp này là chi phí thấp, không mất nhiều thời gian trong triển khai, có thể phủ cả ngoài nhà ( outdoor) và trong nhà (indoor)

ã Nhược điểm của giải pháp này là vùng phủ hạn chế, tốc độ bít thấp đối với các dịch vụ dữ liệu, dung lượng thấp và chất lượng không thể chấp nhận được ở một số phần trong tòa nhà Suy hao tăng dần khi tần số càng cao, do vậy khó cung cấp vùng phủ cho tòa nhà mức tín hiệu tốt Suy hao có thể khắc phục bằng cách tăng công suất từ các trạm ngoài nhà nhưng nhiễu sẽ tăng việc thiết kế tần số gặp nhiều khó khăn do quỹ tần số hạn hẹp (nhất là đối với các nhà khai thác chia sẻ chung băng tần GSM)

Ngoài cách phủ sóng trong nhà bằng trạm outdoor ta có thể sử dụng trạm lặp (Repeater) làm nguồn vô tuyến cung cấp cho hệ thống phân phối Khi đó vùng phủ của trạm outdoor hiện có được mở rộng Nhưng giải pháp này ít được sử dụng trong thực tế vì cường độ tín hiệu, chất lượng, sự ổn định, dung lượng phụ thuộc vào trạm BTS bên ngoài và việc thiết kế cho trạm lặp (quỹ đường truyền, mức độ cách ly 2 hướng) mặc dù giá thành thấp, triển khai nhanh, dễ dàng Vì có nhiều nhược điểm nói trên nên thực tế rất ít nhà cung cấp dịch vụ di động sử dụng giải pháp này, trừ trường hợp bất khả thi

Hình 1.4 Outdoor repeater b Nguồn tín hiệu bằng trạm indoor dành riêng

Hình 1.5 Vùng phủ cho tòa nhà được cung cấp bởi trạm indoor riêng

Giải pháp này có thể tăng thêm dung lượng cho những vùng trong nhà yêu cầu lưu lượng cao Vấn đề chính ở đây là cung cấp dung lượng yêu cầu trong khi vẫn đảm bảo vùng phủ tốt của tòa nhà mà không làm ảnh hưởng tới chất lượng dịch vụ của mạng BTS outdoor macro Vì vậy giải pháp này được các nhà cung cấp dịch vụ di động trong khu vực sử dụng như SingTel, Digi

ã Ưu điểm của giải pháp này là nguồn tín hiệu từ bên ngoài ổn định, mức tín hiệu tốt, mở rộng dung lượng hệ thống dễ dàng

ã Nhược điểm của giải pháp là giá thành cao, yêu cầu phải có cách bố trí tần số/ kênh cụ thể và xây dựng hệ thống truyền dẫn đảm bảo tính mỹ thuật

ã Trạm gốc được dành riêng cho tòa nhà: Tín hiệu vô tuyến từ trạm gốc được phân phối qua hệ thống đến các anten Vùng phủ cho tòa nhà được giới hạn đồng thời không làm ảnh hưởng đến chất lượng mạng BTS outdoor macro Nhưng yêu cầu kỹ sư thiết kế phải tính toán quỹ đường truyền cận thận vì mức công suất ở mỗi anten phụ thuộc và sự tổn hao mà các thiết bị thụ động được sử dụng, đặc biệt là chiều dài cáp

ã Các thiết bị chính gồm: Cáp đồng trục, bộ chia (spliter/tapper), bộ lọc (filter), bộ kết hợp (combiner), anten

b Hệ thống chủ động

Hệ thống chủ là hệ thống anten phân phối sử dụng cáp quang và các thành phần chủ động (bộ khuếch đại công suất) Việc sử dụng cáp quang từ BTS tới khối điều khiển từ xa có thể mở rộng tới từng vị trí anten riêng lẻ bằng cách: Tín hiệu RF từ BTS được chuyển đổi thành tín hiệu quang rồi truyền đến và được biến đổi ngược lại thành tín hiệu RF tại khối điều khiển từ xa trươc khi được phân phối tới một hệ thống cáp đồng nhỏ Ngoài ra, hệ thống còn sử dụng các thiết bị khác trong việc phân phối tín hiệu: Hub quang chính, cáp quang, Hub mở rộng, khối anten từ xa

Hình 1.8 Sơ đồ một hệ thống anten phân phối chủ động cho khu trường sở

Giải pháp này thường được sử dụng cho những khu vực phủ sóng inbuilding rất rộng, khi mà hệ thống thụ động không đáp ứng được chỉ tiêu kỹ thuật suy hao cho phép Khi đó một BTS phục vụ được nhiều tòa nhà trong một vùng, thường là các trường sở Các kết nối khoảng cách xa (hơn 1 km) sử dụng

cáp quang, sự phân phối giữa một tầng và các phần trong tòa nhà có thể dùng cáp xoắn đôi dây Nhưng nhược điểm dễ nhận thấy là chi phí cao

Hình1 9 Sơ đồ một hệ thống anten phân phối chủ động cho một tòa nhà cao tầng c Hệ thống lai ghép

Hình 1.10 Sơ đồ hệ thống lai ghép

Hệ thống này là sự kết hợp giữa hệ thống thụ động và chủ động Giải pháp này dung hòa được cả ưu nhược điểm của hai hệ thống thụ động và chủ động Vì nó vừa đảm bảo chất lượng tín hiệu cho những khi vực phủ sóng trong mà có quy mô lớn lại vừa tiết kiệm chi phí

1.1.3 Phần tử bức xạ

Phần tử bức xạ có nhiệm vụ biến đổi năng lượng tín hiệu điện thành sóng điện từ phát ra ngoài không gian và ngược lại Do hệ thống trong nhà được sử dụng ở những khu vực có vùng phủ sóng đặc biệt cho nên đối với từng công trình cụ thể đòi hỏi phải có phần tử bức xạ thích hợp Cụ thể:

a Anten

Sử dụng thích hợp với những vùng phủ có khuynh hướng tròn hoặc hình chữ nhật Đó là vì anten cho vùng phủ sóng không đồng đều, việc tính quỹ đường truyền phụ thuộc nhiều vào cấu trúc của tòa nhà Phạm vi phủ sóng của anten ở dải GSM900 là 25má30m; GSM1800 là 15má18m Có 2 loại anten thường được sử dụng là anten vô hướng (omni) và anten có hướng (yagi) Anten vô hướng có tính thẩm mỹ, nhỏ gọn dễ lắp đặt nên có thể kết hợp hài hòa với môi trường trong tòa nhà, còn anten có hướng có độ tăng ích cao thích hợp khi phủ sóng trong thang máy

b Cáp rò

Đặc điểm của cáp rò (còn gọi là cáp tán xạ) là có cường độ tín hiệu đồng đều theo một trục chính nên thường được dùng cho các vùng phủ phục vụ kéo dài đặc biệt như hành lang dài, xe điện ngầm, đường hầm… Phạm vi phủ sóng của cáp rò chỉ vào khoảng 6m nhưng lại có ưu điểm hơn hẳn với anten là hỗ trợ được dải tần số rộng từ 1 MHzá2500 MHz

những suy hao này nhà thiết kế sẽ sử dụng mô hình truyền sóng trong nhà từ đó tính toán ra quỹ đường truyền yêu cầu tương ứng Thực chất mô hình truyền sóng là công thức tính suy hao sóng vô tuyến khi truyền qua các vật cản và được xây dựng từ rất nhiều quá trình đo đạc thực nghiệm cụ thể, còn quỹ đường truyền sẽ xác định tất cả các tham số suy hao tối đa cho phép tính từ nguồn tín hiệu đến máy di động để từ đó có được cái nhìn tổng quan hơn về hệ thống

1.2.1 Mô hình truyền sóng

Khác với truyền dẫn hữu tuyến chỉ truyền trên những đôi dây đã được thiết kế định trước, suy hao có thể lường trước và tính toán được thì việc tính toán trong truyền dẫn vô tuyến là rất đa dạng và phức tạp do đặc kiểm kênh truyền mở Thông tin di động là trong những dịch vụ thông tin đặc biệt, cho phép thuê bao trao đổi thông tin ngay cả khi đang di chuyển nên kênh truyền sóng liên tục thay đổi trong quá trình thuê bao di động Vì vậy, yêu cầu hàng đầu đối với nhà thiết kế là phải dự đoán tương đối chính xác mức thu năng lượng tại từng vị trí của thuê bao di động Do môi trường truyền sóng của mạng BTS outdoor macro (không gian tự do) không còn đúng với môi trường truyền sóng của hệ thống trong nhà nên một yêu cầu đặt ra là cần phải có một mô hình truyền sóng trong nhà riêng

Có nhiều mô hình truyền sóng trong nhà được các nhà nghiên cứu đưa ra như mô hình của Bertoni, N.Yarkoni – N.Blaunstein, Rappaport… do đặc trưng của môi trường truyền sóng phức tạp, do cấu trúc và vật liệu xây dựng đa dạng… nhưng vì khuôn khổ bài viết có hạn nên ở đây chỉ giới thiệu mô hình Motley & Keenan vì những ưu điểm của nó

Motley & Keenan cho rằng tổn hao trung bình ( )pl d là một hàm của

khoảng cách d có thể được tính từ tổn hao không gian tự do pl dfs( ) và từ số các bức tường I giữa Tx và Rx

( ) ( ) (1)

pld = pl d +ồL

Trong đó L là tổn hao của bức tường thứ i wi

db: Điểm ngắt trong nhà (indoor breakpoint) (m) ( note 2)

Note 1: Các bức tường mỏng thông thường có tổn hao 7 dB còn các bức tường dày có tổn hao 10 dB

Note 2: Đối với khoảng cách ở điểm ngắt, trung bình cộng thêm vào 0.2 dB/m

điểm ngắt điển hình: 65m

Hình 1.12 So sánh suy hao tường theo mô hình Keenan Motley với suy hao không gian tự do và công thức xấp xỉ

Trên thực tế mô hình truyền sóng Keenan Motley hay được sử dụng để dự đoán sơ bộ suy hao truyền sóng trong nhà bởi lẽ không quá phức tạp, mô hình này có ưu điểm là tính toán đơn giản, không có nhiều thông số phải giả định hoặc thực nghiệm Ngoài ra cũng từ mô hình truyền sóng này, có thể nhận thấy suy hao truyền sóng trong nhà phụ thuộc chủ yếu vào số tầng và số bức tường mà sóng trực tiếp truyền qua Kết quả đo đạc thực tế của các mô hình truyền sóng khác cũng đã chỉ ra sự phức tạp của truyền sóng trong môi trường trong nhà và khó mô phỏng nó một cách chính xác vì kết cấu của tòa nhà khác nhau, vật liệu khác nhau…

1.2.2 Tính toán quỹ đường truyền

Mục đích chính của việc tính toán quỹ đường truyền (link budget) là xác định tất cả các tham số suy hao tối đa cho phép giữa trạm BTS và máy di động MS để từ đó có được cái nhìn tổng quan về công suất, tăng ích và tổn hao của hệ thống Đồng thời giúp cho nhà thiết kế dễ dàng dự phòng mức dự trữ hợp lý dành cho khi cần nâng cấp hoặc mở rộng hệ thống

Pout_bts > Ssdes + Lp – Ga + Lf + Lps + Lc (3)

Trong đó:

Lp: Suy hao đường truyền từ anten tới MS tại biên tế bào (mô hình truyền sóng Keenan Motley)

Ga: Hệ số tăng ích của anten BTS, hệ số tăng ích của anten MS xem như là 0 dB

Lf: Suy hao fiđơ

Lps: Suy hao ở bộ công suất bộ chia

Lc: Suy hao trong các bộ mở rộng, kết hợp, bộ xong công, bộ phối hợp… SSdes: Cường độ tín hiệu thiết kế

SSdes =EiRP – Lp

EiRP: Công suất bức xạ đẳng hướng tương đương

EiRP = Pout_bts – Lc – Lf + Ga (4)

Hình 1.13 Sơ đồ một hệ thống phân phối antenna thụ động đơn giản

Ví dụ: Tính toán EiRP cho một hệ thống phân phối anten thụ động đơn giản

EiRP = 29dBm (Pout_bts) – 18dB (6x bộ chia) – 11 dB (suy hao feeder) + 2dBi(Ant.Gain) = + 2 dBm

Tóm lại: EiRP có thể phụ thuộc các yếu tố sau: - Vị trí đặt anten

- Loại anten

- Đặc thù của vùng phủ: mở, khép kín, trần cao hay trần thấp

- Loại tường bao: tường dày thì có thể dùng EiRP cao mà không lo tín hiệu thoát ra ngoài quá mạnh

- Số lượng và tính chất tường ngăn quanh anten

Tuy nhiên đối với các tòa nhà cao tầng thường gặp, cấu trúc các tầng thường giống nhau nên để đơn giản hóa thì nên làm EIRP đồng đều trong từng tế bào

Sau khi tính toán EIRP, cần phải tính toán kiểm tra các chỉ tiêu truyền sóng khác, cụ thể:

Đ Total loss là tổng tổn hao từ đầu ra máy phát đến anten:

Total loss = ( hybrid couple loss + tổn hao bộ chia + suy hao coupler + suy hao cáp) (5)

System margin left over (dB) = tiªu chÝ vïng phñ + MS minimum receivable level (8)

- Tæn hao ®­êng truyÒn lín nhÊt cho phÐp:

Max allowable part loss (dB) = EIRP – fading margin – suy hao th©n nhiÖt – tiªu chÝ vïng phñ (9)

§ HiÖu qu¶ phñ sãng ë ®­êng lªn:

- Møc c«ng suÊt BTS thu ®­îc nhá nhÊt:

BTS minimum receivable level (dB) = TxMS – tæng suy hao – suy hao kh«ng gian tù do – fading margin – suy hao th©n nhiÖt (10)

- Møc dù tr÷ hÖ thèng ®­êng lªn (dµnh cho khi n©ng cÊp, më réng hÖ thèng):

System margin left over (dB) = RxBTS + BTS minimum receivable level (11)

Chương II

Anten và các hệ thống anten 2.1 Nguyên lý làm việc của anten

Nghiên cứu về các vấn đề liên quan đến anten có phạm vi rất rộng Trong chương này, tôi chỉ muốn đề cập một cách ngắn gọn các vấn đề về hoạt động và các tham số đặc tính của anten

Trước tiên, anten được định nghĩa là thiết bị bức xạ và thu nhận năng lượng sóng vô tuyến Anten là một thiết bị tương hỗ, nghĩa là anten có thể được sử dụng đồng thời như nhau cho cả phía phát và phía thu Cấu trúc của anten được thiết kế để sao cho có khả năng chuyển đổi giữa sóng dẫn và sóng tự do Sóng dẫn bị giam cầm trong môi trường giới hạn của đường truyền dẫn để truyền tín hiệu từ một điểm này đến một điểm khác Trong khi đó, sóng tự do được bức xạ không có giới hạn trong không gian Một đường truyền dẫn được thiết kế để có được sự suy hao bức xạ là thấp nhất, trong khi anten được thiết kế sao cho đạt được độ bức xạ là cực đại Sự bức xạ xảy ra khi đường truyền dẫn không liên tục, không cân bằng về dòng điện

Anten là một thiết bị quan trọng trong bất cứ hệ thống vô tuyến nào Sóng vô tuyến được phát vào trong không gian tự do thông qua anten Tín hiệu được lan truyền trong không gian và một phần nhỏ tín hiệu sẽ được thu lại bởi anten thu Tín hiệu sau đó sẽ được khuếch đại, chuyển đổi và xử lý để khôi phục lại thông tin

Không gian xung quanh một anten được chia thành 3 miền tùy theo đặc tính của trường bức xạ Vì trường bức xạ thay đổi giữa các miền liên tục nên việc phân định ranh giới giữa các miền là khó khăn

Trường gần phản xạ lại là miền gần anten nhất Trong trường này, năng lượng không được bức xạ mà được khôi phục và bức xạ ngược liên tục tạo thành

bằng nhau tại khoảng cách l/2p Khi khoảng cách càng xa, thành phần trường phản xạ lại giảm theo hệ số 1/r2 hoặc 1/r3 và trở lên yếu hơn thành phần bức xạ

Trường gần phản xạ lại có bán kính 3m đối với tần số 800MHz và 4,4m đối với tần số 1900MHz

Hình 2.1 Trường bức xạ xung quanh anten

Trường gần bức xạ: Trường gần bức xạ còn được gọi là miền Fresnel Trong miền này, mật độ công suất không tỉ lệ nghịch với khoảng cách mà nó tăng không đều với khoảng cách, và đạt tới một giá trị cực đại Sau đó mật độ công suất sẽ giảm gần như tuyến tính.

Trường gần bức xạ có bán kính 24m đối với tần số 800MHz và 50m đối với tần số 1900MHz.

Trường xa: trong miền này sóng phẳng có tính chi phối Trong miền này, trường điện từ trực giao nhau Miền này được gọi là miền không gian tự do.

Trong thực tế có rất nhiều loại anten, chúng ta có thể phân loại anten theo các tiêu chí sau:

+ Theo hình dạng hình học của anten

- Anten dây: dipole, loop, helix - Anten ống: horn, slot

- Anten in : patch, printed dipole, sprial + Theo độ tăng ích của ante:

- Fan beam: array + Theo băng thông:

- Băng rộng: log, spiral, helix - Băng hẹp: patch, slot

Mạch giao tiếp với anten là không gian tự do, nên nếu nhìn từ phía mạch điện, anten đơn thuần là thiết bị có một cổng có trở kháng sóng Trong phần tiếp theo, chúng ta sẽ nghiên cứu các thuộc tính quan trọng của anten

2.2 Các thuộc tính quan trọng của anten

Đối với kỹ sư vô tuyến, kỹ sư thiết kế hệ thống, nhà khai thác mạng yêu cầu nắm vững nguyên lý hoạt động của anten, đặc tính lan truyền sóng vô tuyến Các thuộc tính quan trọng của anten bao gồm:

ã Hệ số định hướng

ã Công suất bức xạ hiệu dụng ã Hình dạng búp sóng

ã Độ rộng búp sóng nửa công suất ã Băng thông

Nhưng có ý kiến cho rằng anten là thiết bị tích cực, ví nó có độ tăng ích Vậy hệ số tăng ích của anten là gì? Để định nghĩa hệ số tăng ích của anten, chúng ta cần sử dụng đến một khái niệm anten bức xạ đẳng hướng (isotropic)

Hình 2.2 Độ tăng ích của anten

Anten isotropic (anten chuẩn) là một anten mang tính lý thuyết, có năng lượng bức xạ đều nhau theo mọi hướng

Hệ số định hướng của anten ở một hướng đã cho là tỷ số của mật độ công

suất bức xạ bởi anten ở điểm nào đó nằm trên hướng ấy, trên mật độ công suất bức xạ bởi anten chuẩn cũng tại hướng và khoảng cách như trên, khi công suất bức xạ của hai anten giống nhau

2),(),

E(q,j)= Emax Fm(q,j) (2-5) Do đó, theo (3-4) và (3-5) sẽ có:

max qjj

Hiệu suất của anten cũng là một trong các thông số quan trọng đặc trưng cho mức độ tổn hao công suất của anten Nó được xác định bởi tỷ số của công suất bức xạ trên công suất đặt vào anten

Ta có biểu thức hệ số tăng ích của anten:

SS

2.2.2 Công suất bức xạ hiệu dụng ERP và EIRP

Công suất bức xạ hiệu dụng ERP là công suất bức xạ thực theo một hướng cụ thể Nó được tính bằng công suất phát thực tế nhân với hệ số tăng ích của anten theo hướng đó

Công suất bức xạ = Công suất đầu vào x hệ số tăng ích

Công suất bức xạ hiệu dụng được thể hiện thông qua sự so sánh với các anten chuẩn

ERP : khi so sánh với anten dipole Ký hiệu đơn vị đo: dBd EIRP: khi so sánh với anten isotropic Ký hiệu đơn vị đo: dBi

Lấy ví dụ, hai anten A và B có công suất đầu vào đều bằng 100W Anten A là anten chuẩn (giả thiết là anten isotropic), anten B là anten định hướng Theo hướng bức xạ cực đại, tín hiệu từ anten B có cường độ mạnh gấp 2,75 lần so với tín hiệu từ anten A tại cùng vị trí đến nguồn tín hiệu Trong trường hợp này, EIRP của anten B là 275W

Hình 2.3 Công suất bức xạ hiệu dụng của anten

Sự chuyển đổi giữa ERP và EIRP

Hệ số tăng ích của anten khi so sánh với anten isotropic được ký hiệu là dBi và khi so sánh với anten dipole được ký hiệu là dBd Lấy ví dụ, một anten dipole nửa bước sóng có hệ số tăng ích isotropic là 2,15dBi Điều này có nghĩa là, anten dipole, theo hướng bức xạ cực đại, có độ mạnh gấp 2,15dB so với độ bức xạ của anten isotropic khi có cùng công suất đầu vào

Ta có công thức chuyển đổi theo dB:

Công thức chuyển đổi số học:

EIRP = 1,64ERP (2-10) Trong công thức (2-9), ta thấy EIRP có giá trị lớn hơn ERP Điều này có thể được giải thích thông qua trường hợp dưới đây Nếu bạn có một hệ thống anten cùng với công suất phát xác định, suy hao ghép nối, suy hao trên cáp, hiệu suất và độ tăng ích của anten thì bạn muốn xác định được công suất bức xạ Giá trị này có thể được xác định theo nhiều cách, phụ thuộc vào loại anten được tham chiếu làm chuẩn Một trong số đó có thể là anten dipole hoặc anten isotropic

Vì anten dipole có hệ số tăng ích lớn hơn nên phép đo thực tế sẽ có giá trị gần với dBd hơn dBi Do vậy, giá trị dBd sẽ nhỏ hơn giá trị dBi Điều này được thể hiện rõ ràng trong công thức trên

Hình 2.4 Độ tăng ích của anten isotropic so với anten dipole

2.2.3 Hình dạng búp sóng

Hình dạng búp sóng được thể hiện thông qua đồ thị trong tọa độ cực trên một trong hai mặt phẳng sau:

- Mặt phẳng ngang (hoặc góc phương vị) - Mặt phẳng đứng (hoặc góc ngẩng)

Chú ý: mặt phẳng X-Y nằm song song với bề mặt trái đất Hình 2.5 Tọa độ cực

Ngoài ra, chúng ta còn có khái niệm về mặt phẳng E và H - Mặt phẳng E chứa cường độ điện trường bức xạ của anten - Mặt phẳng H chứa cường độ từ trường bức xạ của anten

Hai mặt phẳng này luôn trực giao nhau Đối với anten dipole và Yagi, mặt phẳng E luôn song song với các phần tử tuyến tính của anten

Hình 2.6 Hình dạng búp sóng bức xạ trên mặt phẳng ngang

Hình 2.7 Hình dạng búp sóng bức xạ trên mặt phẳng đứng

Hình 2.8 Hình dạng búp sóng bức xạ trong không gian 3 chiều

2.2.4 Trở kháng và hệ số sóng đứng

Để đạt được sự truyền công suất tối đa qua các kết nối connector, ví dụ như kết nối giữa một đường cáp đồng trục với anten, trở kháng đầu vào của anten phải phối hợp với trở kháng của đường truyền dẫn

Nếu hai trở kháng này không phối hợp, thì sẽ có một lượng sóng phản xạ sinh ra, dội ngược trở lại nguồn phát tín hiệu Khi đó sóng (điện áp) trên đường truyền là sự chồng chéo của cả sóng tới và sóng phản xạ Hệ số giữa giá trị cực đại và cực tiểu của điện áp được định nghĩa là hệ số sóng đứng VSWR

Hầu hết các hệ thống có trở kháng sóng là 50 Ohm Do đó, anten phải được thiết kế sao cho có trở kháng sóng xấp xỉ 50 Ohm Tham số VSWR 1.0:1 chỉ ra rằng anten có trở kháng sóng chính xác là 50 Ohm

Tham số VSWR có giá trị càng bé càng tốt vì nó gây ra suy hao trực tiếp Rõ ràng, nếu không có sự phối hợp trở kháng thì sẽ dẫn tới hiệu suất làm việc

của anten giảm sút cả khi nó thu hay phát tín hiệu Đối với nhiều hệ thống, anten thường được thiết kế để làm việc tốt với hệ số VSWR nhỏ hơn 1.5:1

Lấy ví dụ về suy hao VSWR:

Giả thiết chúng ta có hệ số VSWR là 1.5:1 Ta sẽ tính suy hao là bao nhiêu?

Hệ số phản xạ G có thể được xác định theo công thức dưới đây:

Từ giá trị trên, ta tính được suy hao phản xạ:

RL = -20log(|G|) = -20log(0,2) = 14dB Công suất phản xạ lại sẽ là 14dB từ công suất đến

Lấy ví dụ, nếu công suất cấp vào thiết bị là 0 dBm (1mW), VSWR là 1,5:1 thì suy hao 14dB ( tương đương giảm 25 lần của 1mW = 0,04 mW) sẽ bị phản xạ lại và bị tiêu hao trong một cái tải giả

Khi đó, công suất phát ra của thiết bị sẽ là: Pout = Pin - PRL

= 1mW – 0,04mW = 0,96mW Cuối cùng, nếu tính suy hao bằng dB:

Loss (dB) = 10log(Pout/Pin)

= 10log(0,96) = - 0,18dB

Do đó, suy hao ghép nối gây ra bởi công suất phản xạ là 0,18dB hay 4,0%

2.2.5 Các tham số khác

Độ rộng búp sóng nửa công suất: đây là góc mở mà tại đó công suất bức

xạ của anten giảm xuống 3dB so với hướng cực đại

Hệ số front-to-back (hệ số búp sóng chính/búp sóng phụ) và mức búp

sóng phụ dùng để đo mức năng lượng bức xạ ra ngoài phạm vi của búp sóng chính Đối với anten phát, các búp sóng phụ gây ra nhiễu cho các anten thu gần đó Đối với anten thu, các anten phát quanh đó có thể gây nhiễu cho nó

Trong trường hợp anten định hướng, hầu hết các nhà sản xuất muốn đáp ứng hoặc vượt qua các chỉ tiêu kỹ thuật tiêu chuẩn Thực tế, có một số tham số mà chúng ta rất khó có thể đo kiểm được, cũng như hoạt động thực tế của anten cũng luôn thay đổi Nói chung, với một anten định hướng có hệ số tăng ích cao thì sẽ có hệ số front-to-back tốt hơn anten có hệ số tăng ích thấp

Băng thông: băng thông của anten đơn giản là phạm vi tần số mà anten

làm việc

Phân cực: Phân cực miêu tả sự định hướng của vectơ trường điện từ Tất

cả các bức xạ trường điện từ được xem như bị phân cực hình elip Nó có các trường hợp cụ thể như sau: phân cực tuyến tính, tròn và elíp

Điểm quan trọng ở đây là công suất cực đại truyền giữa anten thu và phát chỉ diễn ra nếu các anten có cùng định hướng về không gian và phân cực

Hình 2.9 Sự phân cực

Công suất tối đa: Hoạt động của anten tại mức công suất mà vượt quá

giới hạn thiết kế của anten có thể làm tăng hệ số VSWR, dẫn tới gây lỗi

Tản nhiệt: Vấn đề tản nhiệt rất quan trọng trong thiết kế của anten vì

anten rõ ràng là một loại tải tiêu thụ (nó sẽ suy hao 1dB/300W) Với loại cáp

mềm đường kính lõi nhỏ có thể sinh ra nhiệt nếu chúng mang tín hiệu công suất lớn

Khả năng chịu lực kéo của gió: Khi anten sử dụng tấm phản xạ kích

thước lớn sẽ làm tăng hệ số front-to-back, tuy nhiên, nó cũng làm tăng sức cản của gió Do vậy, thiết kế cơ khí và quá trình lắp đặt anten cần được đặc biệt chú ý

2.3 Kỹ thuật hạn chế phading

Chúng ta sẽ làm thế nào để thu được tín hiệu tốt nhất trong điều kiện không có đường truyền thẳng trực tiếp giữa máy phát và máy thu? Vì chúng ta không thể loại trừ hiệu ứng nhiều tia, nên làm thế nào để hạn chế được ảnh hưởng của hiệu ứng này?

Các nhà thiết kế đã tìm ra rất nhiều phương pháp để hạn chế hoặc loại bỏ suy hao tín hiệu gây ra bởi hiệu ứng nhiều tia Các giải pháp trong đó có tối ưu hóa vị trí đặt anten, hạn chế các vật phản xạ Tuy nhiên, môi trường vô tuyến rất phức tạp.Trong công nghệ thông tin di động cellular, có rất nhiều kỹ thuật thu phân tập được áp dụng Tuy nhiên, hai kỹ thuật thu phân tập thường được sử dụng nhất là phân tập theo không gian và phân tập theo cực tính

2.3.1 Thu phân tập theo không gian

Sự suy yếu của tín hiệu gây ra bởi truyền dẫn nhiều tia thường xảy ra trong thời gian ngắn, và đặc biệt là nó có tính chất phân bố độc lập Thực tế cho thấy, nếu có hai anten được đặt tại các vị trí cách xa nhau vài bước sóng thì sẽ không chịu ảnh hưởng của phading tại cùng một thời điểm

Tín hiệu phát ra từ máy di động sẽ chịu ảnh hưởng của các hiệu ứng trong môi trường lan truyền, và nó đến anten BTS theo các đường truyền khác nhau, pha khác nhau Kết quả là tín hiệu thu tại anten BTS là sự tổng hợp của rất nhiều tín hiệu thành phần có biên độ, pha và cực tính khác nhau Nếu hai anten được đặt cách xa nhau một khoảng theo chiều đứng hoặc chiều ngang thì rất có thể một trong số chúng sẽ thu được tín hiệu mạnh Bộ chuyển mạch tức thời tín hiệu

Phụ thuộc vào đặc tính của môi trường truyền dẫn từng khu vực mà thu phân tập theo không gian sẽ đem lại hệ số tăng ích thu phân tập từ 3 đến 5 dB, khi so sánh với thu bằng một anten Yêu cầu khoảng cách giữa hai anten thu tối thiểu là từ 10 đến 20l

- 12 đến 24ft @ 800MHz - 5 đến 10ft @ 1900MHz

Hình 2.10 Một số cấu hình của anten thu phân tập không gian