Mô hình Hata là một công thức hợp theo các đường cong Okumura có giá trị từ 150-1500MHz ứng dụng trong vùng đô thị. Với công thức tiêu chuẩn cho bởi công thức 2.5
𝐿50 𝑢𝑟𝑏𝑎𝑛 𝑑𝐵 = 69.55 + 26.16 log 𝑓𝑐 − 13.82 log 𝑡𝑒 − 𝑎 𝑟𝑒 + (44.9 − 6.55 log 𝑡𝑒) log 𝑑 (2.5)
Trong đó:
𝑓𝑐là tần số sóng mang (MHz) từ 150-1500(MHz) 𝑡𝑒là độ cao ăngten phát tính theo m (từ 30-200m) 𝑟𝑒là chiều cao ăngten nhận (từ 1-10m)
Nguyễn Thị Nhung Đại học Công Nghệ - ĐHQGHN
d là khoảng cách T-R tính theo Km
𝑎(𝑟𝑒)là nhân tử hiệu chỉnh chiều cao ăngten thu hiệu dụng là hàm của kích thước vùng che phủ.
Đối với vùng nông thôn thì sự mất mát công suất sẽ được tính theo công thức 2.6
𝐿50 𝑑𝐵 = 𝐿50 𝑢𝑟𝑏𝑎𝑛 − 4.78 log 𝑓𝑐 2 − 40.98 (2.6)
Mặc dù các công thức Hata không có sự hiệu chỉnh đường truyền cụ thể như ở mô hình Okumura, song các biểu thức tính toán có giá trị thực tế cao. Khi d>1km các giá trị dự đoán ở mô hình Hata rất gần mô hình Okumura.
Mô hình này thích hợp với hệ di động tế bào lớn song không thích hợp với hệ thông tin cá nhân (PCS) có tế bào cỡ 1km.
Mô phỏng sự mất mát tín hiệu trong mô hình Hata sử dụng Matlab
Mô phỏng bằng Matlab sự mất mát công suất trên đường truyền ở khu vực nông thôn trong mô hình Hata với trạm phát cao 78m, trạm phát cao 10m và sóng mang 450MHz.
Nguyễn Thị Nhung Đại học Công Nghệ - ĐHQGHN
Kết luận : Có 3 cơ chế ảnh hưởng đến việc lan truyền sóng trong thông tin
vô tuyến là phản xạ, nhiễu xạ và tán xạ. Có rất nhiều mô hình truyền sóng trong môi trường outdoor như mô hình Durkin, Okumura, Hata,… Trong chương tiếp theo tôi sẽ đi vào mô phỏng cụ thể vùng phủ sóng di động ở khu vực nông thôn sử dụng phần mềm Wireless Insite.
Nguyễn Thị Nhung Đại học Công Nghệ - ĐHQGHN
CHƢƠNG III – MÔ PHỎNG VÙNG PHỦ SÓNG DI ĐỘNG TẠI TỈNH BẮC NINH
3.1. Giới thiệu phần mềm mô phỏng điện từ trƣờng Wireless Insite [5]
Wireless InSite là phần mềm mô phỏng điện từ trường được sử dụng để phân tích và thiết kế các hệ thống thông tin vô tuyến. Phần mềm này dự đoán hiệu quả và chính xác cho việc mô phỏng và đặc tính kênh truyền vô tuyến trong các môi trường như môi trường thành phố phức tạp, indoor, khu vực nông thôn,…
Phần mềm này được ứng dụng cả trong lĩnh vực quân sự cũng như dân sự, giúp các kĩ sư RF thiết kế các đường thông tin vô tuyến, tối ưu hóa vùng phủ sóng của anten và đánh giá ảnh hưởng của nhiễu.
Hình 2.11 là một ví dụ sử dụng phần mềm Wireless InSite để mô phỏng sự mất mát tín hiệu từ trạm phát tới trạm thu ở khu vực thành phố.
Hình3.1: Mô phỏng sự mất mát tín hiệu ở khu vực thành phố
Hình3.1 là một ví dụ mô phỏng sự mất mát tín hiệu từ trạm phát tới trạmthu cho khu vực đồi núi, sử dụng phần mềm Wireless InSite.
Nguyễn Thị Nhung Đại học Công Nghệ - ĐHQGHN Hình 3.2: Mô phỏng sự mất mát tín hiệu ở khu vực đồi núi
Phần mềm Wireless Insite tính toán dựa trên hiện tượng những tia sáng được phát ra từ nơi phát, truyền đi trong một môi trường xác định, tương tác với môi trường truyền và cho nhiều đường tới nơi nhận. Những tương tác đó có thể là phản xạ, nhiễu xạ, tán xạ hay là truyền xuyên qua các vật thể trong môi trường truyền. Ở nơi thu, các tia sáng được tổng hợp và tính toán để xác định các đặc điểm của tín hiệu. Phần mềm có thể đưa ra kết quả chính xác với dải tần từ 50MHz đến 40GHz.
Khi sử dụng phần mềm, Wireless Insite cung cấp cho ta các giao diện cửa sổ để thao tác,quản lý là điều khiển, mô phỏng, chạy và xem kết quả, nhập suất dữ liệu với bên ngoài … Các cửa sổ chính thường hay làm việc là: Main, Project View, Calculation log, Project hierarchy.
Nguyễn Thị Nhung Đại học Công Nghệ - ĐHQGHN Hình 3.4: Cửa sổ Project View
Các thành phần cơ bản của 1 project trong Wireless Insite:
Feature: một feature bao gồm tất cả dữ liệu của nhà cửa và địa hình được tải từ một file đơn. Ngoài các dữ liệu hình học, Feature còn bao gồm dữ liệu về tính chất vật liệu các bề mặt.
Các mô hình truyền sóng: là các mô hình có sẵn và đặc thù dùng để áp dụng vào các bài toán truyền sóng cụ thể như: Urban Canyon, Fast 3D, Full 3D, Vertical Plane, Free Space …
Images: khu vực chứa tất cả các ảnh về địa hình TIFF và geoTIFF được sử dụng.
Waveform: mô tả tần số sóng mang và dải tần sử dụng. Tín hiệu được phát đi từ anten phát hoạt động như 1 loại bộ lọc thông dải ở anten thu. Antenna (anten): để thực hiện tính toán truyền sóng trong Wireless Insite,
mô hình yêu cầu cả transmitters và receivers với sự kết hợp cả waveform và anten. Một anten có thể sử dụng trong nhiều trường hợp bằng cách kết hợp nó với transmitters hoặc receivers. Wireless Insite cung cấp cho ta rất nhiều loại anten phổ biến dùng cho công việc mô phỏng.
Transmiters: Vị trí và tính chất của transmitter được xác định bởi transmitter set. Transmiter set bao gồm một hay nhiều vị trí của transmitter. Transmiter set cũng bao gồm cả hướng của anten, công suất bức xạ của anten và dạng sóng cho mỗi anten.
Nguyễn Thị Nhung Đại học Công Nghệ - ĐHQGHN
Receivers: tương tự như transmitters, là receiver set.
Material: ảnh hưởng của sóng điện trường đối với mỗi bề mặt được quyết định bởi tính chất các vật liệu của bề mặt đó. Wireless Insite cũng cung cấp cho ta rất nhiều loại vật liệu cũng như công cụ để tạo nên loại vật liệu mới thích hợp với những trường hợp cụ thể.
Study area: xác định một khu vực của môi trường mô phỏng và sau đó để hạn chế tất cả các thông số cho các tòa nhà, các tính năng địa hình và Tx / Rx địa điểm trong vùng nghiên cứu. Các mô hình truyền khác nhau có thể được áp dụng trong từng khu vực khảo sát. Ta có thể tạo nhiều vùng như vậy trong quá trình khảo sát ứng với những mục đích cụ thể.
Requested output: Chứa tất cả những tham số mà phần mềm hỗ trợ khảo sát. Khi khảo sát cần những tham số nào thì đánh dấu vào các ô lựa chọn đó.
3.2. Mô phỏng vùng phủ sóng di động ở khu vực tỉnh Bắc Ninh
Trong Project này tôi lựa chọn khu vực khảo sát là tỉnh Bắc Ninh vì một số lý do như sau:
Bắc Ninh là một tỉnh có diện tích nhỏ nên việc khảo sát có thể tiến hành dễ dàng hơn
Bắc Ninh là một tỉnh có đặc điểm địa hình, dân số và kiến trsúc hạ tầng khá giống với nhiều tỉnh khác của Việt Nam, do đó việc khảo sát vùng phủ sóng ở tỉnh Bắc Ninh sẽ mang tính chất điển hình hơn, có thể áp dụng cho các địa phương khác.
Dưới đây sẽ trình bày khái quát nhất về đặc điểm địa hình và kiến trúc hạ tầng của tỉnh Bắc Ninh.
3.2.1. Vị trí địa lí và đặc điểm địa hình của tỉnh Bắc Ninh [6]
Bắc Ninh là một tỉnh Việt Nam thuộc khu vực phía bắc của vùng đồng bằng sông Hồng và tiếp giáp với vùng trung du Bắc bộ tại tỉnh Bắc Giang.
Bắc Ninh nằm ở vị trí từ 21º đến 21º5’ Bắc, và 105º45’ đến 106º15’ Đông.Với diện tích khoảng 810Km2
.
Địa hình của tỉnh tương đối bằng phẳng, có hướng dốc chủ yếu từ Bắc xuống Nam và từ Tây sang Đông, được thể hiện qua các dòng chảy mặt đổ về sông Đuống và sông Thái Bình. Mức độ chênh lệch địa hình không lớn, vùng đồng bằng thường có độ cao phổ biến từ 3 – 7 m, địa hình trung du đồi núi có độ
Nguyễn Thị Nhung Đại học Công Nghệ - ĐHQGHN
cao phổ biến 300 – 400 m. Diện tích đồi núi chiếm tỷ lệ rất nhỏ (0,53%) so với tổng diện tích tự nhiên toàn tỉnh, phân bố chủ yếu ở 2 huyện Quế Võ và Tiên Du. Ngoài ra còn một số khu vực thấp trũng ven đê thuộc các huyện Gia Bình, Lương Tài, Quế Võ, Yên Phong. Đặc điểm địa chất mang những nét đặc trưng của cấu trúc địa chất thuộc vùng trũng sông Hồng, bề dày trầm tích đệ tứ chịu ảnh hưởng rõ rệt của cấu trúc mỏng.
Hình 3.5: Tỉnh Bắc Ninh trên bản đồ
3.2.2. Đặc điểm về kiến trúc hạ tầng tỉnh Bắc Ninh
Ngày nay cùng với sự phát triển chung của đất nước, tỉnh Bắc Ninh đã xây dựng được một hệ thống cơ sở hạ tầng tương đối vững mạnh. Với mật độ dân số rất cao nên kèm theo đó ở Bắc Ninh nhà cửa được xây dựng san sát nhau. Cùng với đó là sự phát triển của các khu đô thị mới, các tòa nhà cao tầng cũng đang được mọc lên ngày càng nhiều.Các yếu tố này ảnh hưởng rất lớn tới sự truyền sóng trong thông tin vô tuyến.
Bắc Ninh là một trong số các tỉnh có sự phát triển kinh tế vào bậc nhất nước ta.Cùng với sự phát triển về kinh tế, nhu cầu về thông tin liên lạc ngày càng được chú trọng.Chính vì vậy tôi đưa ra bài toán phủ sóng Wimax cho khu vực này.
Nguyễn Thị Nhung Đại học Công Nghệ - ĐHQGHN
3.2.3. Chƣơng trình mô phỏng
Trong project này tôi sẽ mô phỏng vùng phủ sóng di động ở hai tần số:
- Wimax trên cơ sở của truyền hình số và sử dụng sóng mang là 450MHz
- Wimax trên băng tần 2.5GHz Sở dĩ tôi lựa chọn 2 dải tần này là vì:
- Băng tần 450MHz nằm trong dải UHF nó được cục tần số ở Việt Nam cấp phép sử dụng cho phát thanh và truyền hình. Tuy nhiên băng tần 450MHz này chưa được sử dụng nên có thể khuyến cáo được dành cho Wimax.
- Băng tần 2.5GHz là băng tần được cục tần số Việt nam cấp phép sử dụng cho Wimax.
Luận văn sẽ mô phỏng vùng phủ sóng Wimax ở Bắc Ninh trên 2 băng tần này để đưa ra kết quả và lựa chọn xem băng tần nào phù hợp hơn.
3.2.3.1. Trƣờng hợp 1 – Mô phỏng vùng phủ sóng Wimax ở tần số 450Mhz a. Tạo Project
Bƣớc 1: Tạo Project
Trong cửa sổ Project View, click Project -> New -> Project Điền vào mô tả Project trong mục Short description
Sau đó lưu project bằng cách click vào Project -> Save as, sau đó lựa chọn thư mục để lưu Project và lưu tên Project là Bac Ninh.
Nguyễn Thị Nhung Đại học Công Nghệ - ĐHQGHN
Bƣớc 2: Load file city
Như đã giới thiệu trong chương 2, truyền sóng trong thông tin vô tuyến bị ảnh hưởng bởi rất nhiều yếu tố như hiệu ứng bóng râm, đa đường.Với 3 cơ chế ảnh hưởng chính là phản xạ, nhiễu xạ và tán xạ.Và cơ sở hạ tầng khu vực chính là nguyên nhân gây ra các hiện tượng trên. Chính vì vậy mà phần mềm Wireless Insite cần xây dựng file city vào chương trình để việc mô phỏng sẽ chính xác hơn.
File city mô tả cấu trúc hạ tầng của Thành Phố Bắc Ninh. Nó bao gồm vị trí, chiều cao, diện tích và vật liệu xây dựng các tòa nhà của thành phố. Dữ liệu này đã được khảo sát thực tế bằng cách xuống tỉnh Bắc Ninh đi tới các tòa nhà, khu dân cư và ghi lại vị trí bao gồm kinh độ và vĩ độ của nó sử dụng GPS. Sau đó trên cơ sở dữ liệu có được, xây dựng lại kiến trúc hạ tầng của tỉnh trên phần mềm Wireless Insite và được lưu dưới tên BacNinh.city.
Trong cửa sổ Project View, click vào Project -> Open -> Feature -> City Sau đó đưa đường dẫn tới file BacNinh.city để load file city của thành phố Bắc Ninh vào Project.
Nguyễn Thị Nhung Đại học Công Nghệ - ĐHQGHN Hình 3.8: File city trong cửa sổ 3D
Bƣớc 3: Load file địa hình (Terrain)
Địa hình cũng là yếu tố làm ảnh hưởng không nhỏ tới khả năng truyền sóng trong thông tin vô tuyến.Nó cũng có khả năng gây nên các hiện tượng phản xạ, tán xạ khi địa hình gồ ghề và đặc biệt là hiện tượng nhiễu xạ.
File địa hình có đuôi là ter mô tả địa hình (chiều cao so với mặt nước biển) của khu vực được khảo sát. Ở đây là file địa hình lấy từ website của NASA [8]ứng với tỉnh Bắc Ninh với tên file là bacninh.ter.
Trong cửa sổ Project view, click vào Project -> Open -> Feature -> Terrain. Sau đó chỉ đường dẫn tới vị trí lưu file bacninh.ter.
Tọa độ Bắc Ninh: kinh độ 105º45’ đến 106º15’ Đông, vĩ độ 21º đến 21º05’ Bắc
Hình 3.9: Địa hình tỉnh Bắc Ninh
Bƣớc 4:Tạo dạng sóng
Nguyễn Thị Nhung Đại học Công Nghệ - ĐHQGHN
Ở đây ta chọn dạng sóng là Sinuoid với tần số sóng mang là 450MHz và độ rộng băng tần 5MHz.
Hình 3.10: Dạng sóng 450-5MHz
Bƣớc 5: Tạo anten
Anten ở trong project này sử dụng anten đẳng hướng có dạng sóng là 450MHz được tạo ra ở bước 4.
Anten đẳng hướng là anten lý tưởng mà sóng được phát đều theo mọi hướng, thiết bị thu sóng có thể đặt trong mọi hướng phát sóng và đều thu được tín hiệu như nhau (chỉ bị giới hạn bởi nhiễu của thiết bị khác, nhiễu này có thể đến từ một hướng bất kỳ, hoặc từ mọi hứơng trong vùng phát của antenna đẳng hướng), và chỉ bị giới hạn bởi bán kính phủ sóng.
Nguyễn Thị Nhung Đại học Công Nghệ - ĐHQGHN Hình 3.11: Anten đẳng hướng cho trạm phát
Anten thu sử dụng anten đẳng hướng và cũng sử dụng dạng sóng 450Mhz đã miêu tả ở trên.
Nguyễn Thị Nhung Đại học Công Nghệ - ĐHQGHN
Bƣớc 6: Đặt trạm phát
Trạm phát trong project này được đặt tại vị trí đặt trạm phát sóng của đài phát thanh và truyền hình Bắc Ninh hiện nay. Cụ thể như sau:
- Vị trí: kinh độ 106,067º , vĩ độ 21,184º
- Chiều cao: 78m
- Công suất phát: 42 dBm
Trong cửa sổ project view, click project -> New ->Transmitter -> Point
- Điền vào mô tả ngắn về trạm phát: Tx Points
- Kinh độ và vĩ độ của vị trí đặt anten.
- Antenna sử dụng ở đây là Isotropic_Tx
- Dạng sóng: 450-5Mhz
- Công suất phát: 42 dBm
Hình 3.13: Trạm phát
Bƣớc 7: Đặt trạm thu
Trong project này ta khảo sát vùng phủ sóng của một trạm phát Wimax trên cơ sở truyền hình. Do đó như ở phần trên đã nói, trạm phát sẽ được đặt tại vị trí của cột truyền hình tỉnh Bắc Ninh còn trạm thu sẽ được đặt tại vị trí đặt anten thu tín hiệu truyền hình tại mỗi nhà dân. Ta tính trung bình mỗi anten thu sẽ cao 10m và được bao phủ toàn bộ thành phố Bắc Ninh với khoảng cách 50m ta sẽ đặt 1 trạm thu. Vì đây là bài toán mô phỏng vùng phủ sóng nên mật độ anten thu không cần quá dầy.
Trong cửa sổ project view ta lựa chọn Project -> New -> Receiver -> Polygon
Nguyễn Thị Nhung Đại học Công Nghệ - ĐHQGHN
Sau đó lựa chọn vùng đặt trạm thu là toàn bộ tỉnh Bắc Ninh với diện tích khoảng 810km2.
Sau đó Click chuột phải để đặt các thông số cho trạm thu bao gồm: - Mô tả: Rx Polygon - Antenna: Isotropic_Rx - Waveform: 450-5Mhz - Spacing: 50m Hình 3.14: Trạm thu Bƣớc 8: Tạo vùng khảo sát
Chúng ta có thể định nghĩa từng khu vực khảo sát trong một project. Trong project này ta chọn vùng khảo sát là toàn bộ tỉnh Bắc Ninh cũng tức là toàn bộ khu vực mà chúng ta đã đặt trạm thu ở bước trước. Nên có thể nói, khu vực khảo sát của chúng ta là khoảng 810km2
.
Trong cửa sổ project view, click Project -> New -> Study area