3.4.1.1. Cơ sở
Thiết lập quỹđường truyền là một trong số các nhiệm vụđầu tiên mà một kỹ
sư vô tuyến cần phải thực hiện khi bắt đầu quá trình thiết kế. Việc thiết lập quỹ đường truyền có thể chỉđược đưa ra khi đánh giá xem công nghệ nào được sử dụng.
Hình 3.4. Mô hình truyền sóng giữa trạm thu phát và thiết bịđầu cuối di động
Quỹ đường truyền là một trong số các phần quan trọng của thiết kế hệ thống vô tuyến. Quỹ đường truyền là một quỹ công suất và nó giải thích tất cả các độ lợi và suy hao khi sóng vô tuyến truyền từ máy phát đến máy thu.
Quỹ đường truyền là sự cân đối toàn bộ công suất phát cũng như khuếch đại của các phần tử trên đường truyền với tổn hao gây ra do các phần tử đường truyền cùng với dự trữ fading đường truyền để nhận được công suất thu tại máy thu. Công suất thu này phải đủ lớn để đảm bảo tỉ số tín hiệu trên tạp âm yêu cầu ở máy thu (Eb/N0)req để máy thu có thể khôi phục lại thông tin phát với chất lượng yêu cầu. Tổn hao cực đại đáp ứng điều kiện này được gọi là tổn hao cực đại cho phép. Ta cần xác
định tổn hao này ở cả đường xuống và đường lên. Tổn hao cho phép cực đại cho phép nhỏ hơn trong hai trường hợp này được coi là giới hạn vùng phủ của ô và dịch vụ. Chẳng hạn nếu tổn hao cực đại cho phép ở đường lên là 130 dB còn tổn hao cực
47
đại cho phép ở đường xuống là 125 dB thì ta phải đảm bảo tổn hao không vượt quá 130 dB và ta nói rằng dịch vụ hay vùng phủ giới hạn theo đường lên. Khi tính toán quỹđường truyền thì các mục trong bảng 3.1, bảng 3.2 được khuyến nghị sử dụng.
Bảng 3.1. Quỹđường truyền cho đường lên
Đường lên Đơn vị
Các tham số của khối thuê bao
Công suất đầu ra của khối tiền khuếch đại phát dBm
Suy hao fiđơ và giắc nối, tổn hao cơ thể dB
Độ lợi của anten dBd hoặc dBi
Tổng công suất phát của khối thuê bao W hoặc dBm
Dự trữ môi trường
Độ lợi phân tập phát dB
Dự trữ fading dB
Suy hao môi trường dB
Tổng dự trữ môi trường dB
Các tham số của trạm gốc
Độ lợi anten phát dBd hoặc dBi
Độ lợi của bộ khuếch đại đỉnh tháp dB
Suy hao giắc nối và fiđơ dB
Suy hao bộ lọc phát/bộ Duplexer dB
Độ lợi phân tập phát dB
C/I hoặc Eb/N0 dB
Độ lợi xử lý dB
Độ nhậy máy thu dBm
48
Bảng 3.2. Quỹđường truyền cho đường xuống
Đường xuống Đơn vị
Các tham số của trạm gốc
Công suất đầu ra của khối tiền khuếch đại phát dBm
Suy hao bộ ghép dB
Suy hao giắc nối và fiđơ dB
Suy hao bộ lọc phát/bộ Duplexer dB
Độ lợi phân tập phát dB C/I hoặc Eb/N0 dB Độ lợi xử lý dB Độ lợi của bộ khuếch đại đỉnh tháp dB Độ lợi của anten dBd hoặc dBm Tổng công suất phát W hoặc dBm Dự trữ môi trường Độ lợi phân tập phát dB Dự trữ fading dB
Suy hao môi trường dB
Tổng dự trữ môi trường dB
Các tham số của khối thuê bao
Độ lợi của anten dBd hoặc dBi
Độ lợi xử lý dB
Độ lợi phân tập phát dB
Suy hao dây cáp của anten dB
C/I hoặc Eb/N0 dB
Độ nhậy máy thu dB
Độ nhậy hữu ích của khối thuê bao dBm
3.4.1.2. Các mô hình truyền sóng
Mô hình truyền sóng mô tả truyền sóng tín hiệu trung bình ở môi trường và biến đổi tổn hao truyền sóng cho phép cực đại ở môi trường vào cự li phủ sóng của ô. Mô hình truyền sóng hỗ trợ việc xác định vị trí đặt các BS để đạt được các vị trí tối ưu trong mạng. Mô hình truyền sóng cũng được sử dụng trong các khía cạnh khác của mạng như: tối ưu hoá chuyển giao, điều chỉnh mức công suất và định vị
49 hiểu biết tốt nhất các hạn chế của từng mô hình mới có thể đạt được thiết kế vô tuyến tối ưu [12].
- Mô hình truyền sóng cho môi trường ngoài trời + Mô hình giải tích
Tổn hao truyền sóng giữa trạm gốc và máy di động ở môi trường ngoài trời đã
được nghiên cứu và tổn hao này thường được biểu diễn theo công thức: P(R) = N(R0, δ) + 10nlg(R/R0) [dB] (3.3)
Trong đó: P(R) là tổn hao tại khoảng cách R so với tổn hao tại khoảng cách tham khảo R0, n là mũ của tổn hao đường truyền (n = 2 ÷ 5), δ là độ lệch chuẩn .
+ Các mô hình thực nghiệm
Một số mô hình thực nghiệm đã được đề xuất và sử dụng để dự đoán các tổn hao truyền sóng. Sau đây ta sẽđi xem xét hai mô hình được sử dụng rộng rãi. Đó là: mô hình Hata-Okumura và mô hình Walfisch-Ikegami.
a) Mô hình Hata-Okumura
Hầu hết các công cụ truyền sóng sử dụng một dạng biến đổi của mô hình Hata. Mô hình Hata là quan hệ thực nghiệm được rút ra từ báo cáo kỹ thuật của Okumura cho phép sử dụng các kết quả vào các công cụ tính toán. Báo cáo của Okumura bao gồm một loạt các lưu đồ được sử dụng để lập mô hình thông tin vô tuyến. Dưới đây là các biểu thức toán học được sử dụng trong mô hình Hata để xác
định tổn hao trung bình L [12]: Vùng thành phố: ( ) ( ) [ ] 69,55 26,16lg 13,82lg 44,9 6,55lg lg Pthanhpho c b m b L = + f − h −a h + − h R dB (3.4) Trong đó: fc : tần số sóng mang [MHz]
LPthanhpho : tổn hao trung bình [dB]
50
a(hm) : hệ số hiệu chỉnh cho độ cao của anten của trạm di động [dB]
R: khoảng cách giữa anten của trạm di động MS và anten của trạm gốc [Km] Dải thông số áp dụng cho mô hình Hata như sau:
150 ≤fc <2500MHz 30 ≤hb≤ 200m
1 ≤hm≤ 10m 1 ≤R≤ 20Km a(hm)được tính như sau:
Đối với thành phố nhỏ và trung bình: a h( ) (m = 1,11lg fc−0,7)hm −(1,56lg fc−0,8)[ ]dB (3.5) Đối với thành phố lớn: ( ) ( )2 [ ] 8,29 lg1,54 1,1 m m a h = h − dB với fc ≤200MHz (3.6) ( )2 [ ] ( ) 3,2 lg11,75m m 4,97 a h = h − dB với fc ≥400MHz (3.7) Vùng ngoại ô [ ] 2 2 lg( ) 5,4 28 c Pngoaio Pthanhpho f L =L − ⎡ − ⎤ dB ⎢ ⎥ ⎣ ⎦ (3.8) Vùng nông thôn ( )2 [ ] 4,78 lg 18,33lg 40,49 Pnongthon Pthanhpho c c L =L − f + f − dB (3.9) b) Mô hình Walfisch-Ikegami
Mô hình này được sử dụng để đánh giá tổn hao đường truyền ở môi trường thành phố cho thông tin tổ ong. Mô hình này là mô hình thực nghiệm để đánh giá tổn hao đường truyền ở vùng thành phố trong dải tần 800 - 2000MHz . Hiện nay mô hình này được sử dụng ở Châu Âu cho hệ thống GSM và ở một số mô hình truyền sóng ở Mỹ. Mô hình này có ba phần tử: tổn hao không gian tự do, nhiễu xạ mái nhà-
đường phố và tổn hao tán xạ .
P f n t
L =L +L +L (3.10) Trong đó:
Lf: tổn hao không gian tự do.
Ln: nhiễu xạ mái nhà - đường phố và tổn hao tán xạ.
Lt: tổn hao các vật che chắn.
51
[ ]
32,4 20lg 20lg
f c
L = + R+ f dB (3.11) Nhiễu xạ mái nhà- đường phố và tổn hao tán xạđược xác định như sau:
[ ] 16,7 10lg 10lg 20lg n c m o L = − − W + f + ∆ +h L dB (3.12) Trong đó: W: độ rộng đường phố [m] ∆hm = hr – hm [m] Lo = -9,646 [dB] 0≤φ<550 (φ là góc đến so với trục phố) Lo = 2,5 + 0,075(φ-55) [dB] 550≤φ≤900
Tổn hao các vật che chắn được xác định như sau:
lg 9lg
t b a d
L =L + +k k R− b (3.13) Trong đó:
b: khoảng cách giữa các toà nhà dọc theo đường truyền vô tuyến [m]
Lb = -18lg11 +∆hb hb >hr
Lb = 0 hb <hr
ka = 54 hb >hr
ka = 54- 0,8hb R≥500m hb ≤hr
ka = 54-1,6∆hmR R<500m hb≤hr
Lưu ý: cả Lb và ka đều làm tăng tổn hao đường truyền khi độ cao anten BS thấp hơn. kd = 18 hb >hr kd = 18-15∆hb/∆hm hb ≥hr 4 0,7 1 925 c f f k = + ⎛ − ⎞ ⎜ ⎟ ⎝ ⎠ đối với thành phố trung bình và vùng ngoại ô có mật độ cây trung bình. 4 1,5 1 925 c f f k = + ⎛ − ⎞ ⎜ ⎟ ⎝ ⎠ đối với trung tâm thành phố.
Dải thông số cho mô hình Walfisch-Ikegami: 800≤fc<2000 MHz 4≤hb≤50m
1≤hm≤3m 0,02≤R≤5Km
52 2 b W = , 2 b
φ = , nóc nhà cao 3m cho nóc nhà có độ cao và 0 m cho nóc nhà phẳng,
hr bằng 3 nhân số tầng cộng độ cao nóc nhà.
Tổn hao đường truyền dự đoán theo mô hình Hata thấp hơn so với mô hình Walfisch-Ikegami khoảng 13 ÷ 16 dB. Mô hình Hata bỏ qua ảnh hưởng của độ rộng phố, nhiễu xạ phố và các tổn hao tán xạ. Trong khi đó, mô hình Walfisch-Ikegami có xét đến các ảnh hưởng này.
c) Mô hình IMT-2000
Vì IMT-2000 sẽ trở thành tiêu chuẩn toàn cầu nên các mô hình được đề xuất
để đánh giá các công nghệ truyền dẫn sẽ phải xem xét đến các đặc tính của các môi trường như: thành phố lớn, thành phố nhỏ, vùng ngoại ô, vùng nông thôn, vùng sa mạc, vùng nhiệt đới... Các thông số chính của môi trường gồm có: trễ truyền lan, quy tắc tổn hao địa lý và tổn hao đường truyền bổ xung, fading che tối, các đặc tính của fading nhiều đường cho hình bao của các kênh, tần số công tác vô tuyến.
Mô hình IMT-2000 có các kiểu mô hình sau: - Mô hình môi trường trong nhà.
- Mô hình môi trường giữa trong và ngoài nhà và vỉa hè. - Mô hình môi trường xe cộ.