- Chọn đài trạm Chọn cấu hình BS.
c Dự báo sửa dụng luu lượng số liệu
3.2.8. Suy hao đường truyền a Mở đầu
a Mở đầu
Ở thông tin vô tuyến đến điểm do anten đặt cao , nên suy hao đường truyền tỷ kệ nghịch với bình phương khỏang cách R giữa anten thu và phát (R2) . Ở thông tin di động anten MS gần mặt đất ( khảong 1.5m) nên suy hao tỷ lệ với lũy thừa khỏang cách giữa anten thu va phát (Rn) trong đó n>2 . Để tính tóan suy hao đường truyền người ta lập các mô hình truyền sóng khác nhau . Do đặc điểm truyền sóng không ổn định , nên các mô hình này đều mang tính thực nghiệm . Dưới đây là một số mô hinh truyền sóng thường được sửa dụng để tính suy hao đường truyền
-Mô hình giải tích
Tổn hao truyền sóng được biểu diễn theo biểu thức sau
Trong dó P(R)= tổn hao tại khỏang cách R so với tổn hao tại khỏang cách tham khảo R0
n= mũ của tổn hao đường truyền
σ = lệch chuẩn , thông thường 8dB
Thành phần thứ hai của phương trình trên (2.2) thể hiện sử suy hao không đổi ở môi trường ngòai trời giữa BS và MS . Thành phần thứ nhất của phương trình 2.2 thể hiên sự thay đổi của tổn hao xung quanh tổn hao đường truyền trung bình . Hàm này được xấp xỉ hóa bằng một phân bố log chuẩn có giá trị trung bình bằng thành phần thứ hai và lệch chuẩn bằng 8dB . Người ta đã chứng minh rằng giá trị này có thể áp dụng cho nhiều môi trường truyền sóng gồm cả thành phố lẫn nông thôn
-Các mô hình thực nghịêm
Một số mô hình nghiệm đã được đề xuất và được sửa dụng để dự đóan các tổn hao truyền sóng . Ta xét 2 mô hình được sửa dung rộng rãi : Mô hình Hata-Okumura và Walfisch-Ikegami
Mô hinh Hata Okurmura
Dưới đây là các biểu thức được sửa dụng trong mô hình Hata để xác định tổn hao trung bình Lp
Vùng thành phố
Trong đó
fc=tần số (MHz)
Lp= tổn hao trung bình (dB)
hb= độ cao của anten trạm gốc (m)
a(hm) hệ số điều chỉnh cho độ cao của anten di động R= khỏang cách từ trạm gốc (km)
Dải thông sửa dụng trong mô hình Hata là : 150≤ fc ≤150MHz;30≤hb ≤200m km R m hm 10 ;1 20 1≤ ≤ ≤ ≤
a(hm) được tính như sau:
đối với thành phố nhỏ và trung bình :
Đối với thành phố lớn
Vùng ngọai ô
Vùng nông thôn thông thóang
Mô hình Hata không xét đến mọi hiệu chỉnh cho đường truyền cụ thể được sửa dụng trong mô hình Okumara . Mô hinh Okumara có khuynh hướng trung bình hóa một số tình trạng cực điểm và không đáp ứng nhanh sự thay đổi nhanh của mặt cắt đường truyền vô tuyến . Thể hiện phụ thuộc vào khỏang cách của mô hình Okumara phù hợp với các giá trị đo . Các phép đo của Okumara chỉ đ1ung ở các kiểu tòa nhà ở Tokyo . Kinh nghiệm đo đạc tương tự ở Mỹ cho thấy rằng tình trạng ngọai ô điển hình ở Mỹ thường ở một vị trí nào đó giữa vùng nông thôn và các vùng thành thị . Định nghĩa Okumara có tính thễ hiện tốt hơn đối với từng gia đình thành phố với các nhóm nhà xếp thành hàng . Mô hình Okumara yêu cầu thiết kế khá lớn , đặc biệt khi chọn lựa các yếu tố môi trường phù hợp cần có các dữ liệu để có khả năng dự đóan các nhân tố môi trường trên cơ sở tính chất vật lý của các tòa nhà xung quanh máy thu di động . Ngòai các nhân tố về môi trường phù hợp cần thực hiện hiệu chỉnh theo đường truyền cụ thể để biến đổi dự đóan tổn hao đường truyền trung bình của Okumara và dự đóan cho dường truyền cụ thể được khảo sát . Các kỹ thuật Okumara để hiệu chỉnh mặt đất bất thường và các đặc điểm khác của đường truyền cụ thể đòi hỏi các diễn giải thiết kế và vì thế không phù hợp cho việc sửa dụng máy tính
Đối với PCS làm việc lở tần số 1500-2000Lp . Sửa dụng ô micro ( tầm phủ 0.5-1km) được tính theo mô hình COST 231- Hata khi anten cao hơn nóc nhà như sau :
Trong đó
fc , hb , hm , a(hm) và R giống như trên
cm =0 cho thành phố trung bình và các trung tâm ngoại ô , 3dB cho các trung tâm thành phố . Công thức trên không áp dụng khi hb≤h của nóc nhà
Mô hình Walfisch/Ikegami
Mô hình này được sửa dụng để đánh giá tổn hao đường truyền của môi trường thành phố cho thông tin tổ ong . Mô hình này là sự kết hợp giữa mô hình thực nghiệm và xác định để đánh giá tổn hao đường truyền ở vùng thành phố trong dãi tần 800-2000MHz . Trước hết mô hình này được sửa dụng ở Châu Âu cho hệ thống GSM và ở một số mô hinh truyền sóng ở Mỹ . Mô hinh này chứa ba phần tử : Tổn hao không gian tự do nhiễu xạ mái nhà - phố và tổn hao tán xạ và tổn hao do nhiều vật chắn . Các biểu thức sửa dụng cho mô hình này như sau :
Hay
Trong đó
Lf= tổn hao không gian tự do
Lrts= nhiễu xạ mái nhà phố và tổn hao tán xạ Lms= tổn hao các vật che chắn
Tổn hao không gian tự do được xác định như sau
Trong đó W= độ rộn phố (m) m h ∆ =hr - hm (m) L0=-9.646 dB 0≤φ ≤550 L0=2.5+0.075(φ−55) dB(55≤φ≤900) Trong đó φ là góc đến so với trục phổ
Tổn hao các vật chắn xác định như sau :
Trong đó b= khỏang cách giữa các tòa nhà dọc theo đường truyền ô tuyến (m)
Lbsh=-18lg11 + ∆hb hb>hr Lbsh=0 hb<hr Ka=54 hb>hr Ka=54 - 0.8hb R≥500m,hb ≤hr Ka=54-1.6∆hbR R<500m, hb≤hr 96
Lưu ý : cả Lbshvà ka đều tăng tổn hao đường truyền khi độ cao anten trạm gốc thấp hơn Kd=18 hb<hr Kd hm h ∆ ∆ − =18 15 hb≥hr Kf=4 + 0.7 −1 925 c f
đối với thành phố trung bình và vùng ngoại ô có mật độ cây trung bình Kf=4 + 1.5 −1 925 c f
đối với trung tâm thành phố
Dải thông số cho mô hình Walfisch – Kkegami phải thõa mãn :
Có thể sửa dụng các giá trị mặc định cho mô hình : 2 / ; 2 / ; 50 20 mW b b b= − = φ =
Nóc nhà =3m cho nóc nhà có độ cao và 0m cho nóc nhà phẳng Hr = 3x ( số tầng ) + nóc nhà
Ta tính tóan tổn hao đường truyền từ mô hinh Hata và Walfisch – Ikegami theo các số liệu dưới đây và so sánh kết quả ở bảng dưới đây
fc=880MHz hm=1.5m hb=30m nóc nhà = 0m hr=30m 0 90 = φ b=30m w=15m
So sánh tổn hao đường truyền từ mô hình Hata và Walfisch – Ikegami
Tổn hao đường truyền dự đóan theo mô hình Hata thấp hơn 13-16dB so với mô hình Walfisch – Ikegami . Mô hinh Hata bỏ qua ảnh hưởng độ rộng phổ , nhiễu xạ phổ và tổn hao tán xạ . Các ảnh hưởng này được xét ở mô hình Walfisch – Ikegami . Thừa số hiệu chỉnh tổn hao tin cậy
Weissberger đã phát triển mô hình trễ hàm mũ cải tiến có thể sử dụng ở nơi đường truyền vô tuyền bị chắn bởi cây nhiều lá , khô , mật độ cao ở vùng khí hậu ôn hòa . Có thể tính tóan tổn hao bổ sung như sau :
Trong đó
Lf tổn hao tính bằng dB fc= tần số tinh bằng GHz df= độ tin cậy tính bằng m
Hiệu số tổn hao truyền đối với các cây có lá và không có lá vào khỏang 3 – 5dB với tần số trong dải 900 MHz phương trinh 2.15 rút gọn còn lại là
-Các mô hình cho môi trường trong nhà
Các nghiên cứu thực nghiệm cho thấy rằng việc sửa dung máy thu cầm tay di động trong nhà sẽ bị pha đinh Raylcigh nhiều tia đối với các đường truyền bị chướng ngại và pha đinh Rician đối với các tia có tầm nhìn thẳng ( LOS : line of sight) không phụ thuộc vào kiểu nhà . Pha đinh Rayleigh là pha đinh ngằn hạn gây ra do tín hiệu truyền theo nhiều đường khác nhau dẫn đến triệt tiêu lẫn nhau một phần . Đường truyền tầm nhìn thẳng ( LOS) không bị che chắn bởi các cấu trúc của tòa nhà , nói 1 cách khác không có phản xạ tín hiệu . Pha đinh Rician xảy ra do kết hợp đường truyền LOS mạnh với đường truyền mặt đất cộng với nhiều đường truyền phản xạ yếu . Trạm đi động TIA IS-95A có khả năng phân biệt được các tín hiệu truyền theo các đường khác nhau nhờ vào máy thu RAKE . RIA IS-95A không đề cập đến cân bằng phân tán trễ ở đường truyền vo tuyến vì thế máy thu của MS không có bộ cân bằng . Trái lại các máy thu GSM có bộ cân bằng
Việc phân loại vô tuyến giữa các tầng là vấn đề quan trọng đối với hệ thống vô tuyến trong nhà của các tòa nhà nhiều tầng vì cần dùng chung tần số trong tòa nhà . Các tần số cần được tái sửa dụng ở các tần khác nhau để tránh nhiễu giao thoa . Kiễu vật liệu tòa nhà , tỷ lệ các phía của tòa nhà và các dạng cửa sổ có ảnh hưởng lên suy hao vô tuyến giữa các tần . Đo đạc cho thấy rằng tổn hao các tầng không tăng tuyến tính theo dB cùng với sự tăng của cự ly phân cách . Tổn hao lớn nhất theo dB xảy ra khi máy thu và máy phát cách nhau 1 tầng . Tổn hao đường truyền tổng tăng ở mức độ thấp hơn khi số tầng tăng . Giá trị suy hao điển hình giữa các tầng là 15dB cho phân cách một tầng và thêm 6-10dB trên một phân cách cho đến bốn tầng phân cách . Đối với 5 hay nhiều tầng phân cách hơn , tổn hao tăng vài dB cho mỗi tầng
Cường độ tín hiệu nhận được trong tòa nhà từ máy phát ngoài tòa nhà đóng vai trò quan trọng cho hệ thống vô tuyến dùng chung tần sốvới các tòa nhà bên cạnh hay với 1 hệ thống ngòai trới . Các nghiên cứu thực nghiệm cho thấy rằng cường độ tín hiệu bên trong tòa nhà tăng cùng với độ cao . Ở các tầng thấp của tòa nhà cụm kiến trúc đô thị gây ra suy hao lớn hơn và giảm mức thâm nhập . Ở các tầng cao có thể có đường truyền LOS tao ra tín hiệu đến mạnh
hơn ở tường ngòai tòa nhà . Người ta nhận thấy rằng thâm nhập vô tuyến là hàm của tần số và độ cao bên trong tòa nhà
Tổn hao đường truyền trung bình và độ lệch chuẩn
Tổn hao thâm nhập tăng khi tần số tăng . Các phép đo phía trứơc một cửa sổ cho thấy rằng tổn hao thâm nhập 6dB thấp hơn tổn hao thâm nhập so với các phép đo thực hiện ở các bộ phận của tòa nhà không có cửa sổ . Các nghiên cưu thực nghiệm cũng cho thấy rằng tổn hao thâm nhập tòa nhà giảm ở mức 2 dB trên tầng từ mức tầng trệt đế tầng thứ 10 và sau đó bắt đầu tăng khỏang từ tầng thứ 10 . Việc tăng tổn hao thâm nhập tòa nhà ở các tầng cao hơn là do các ảnh hưởng che tối của các tòa nhà lân cận
Tổn hao trung bình là một hàm số phụ thuộc vào khỏang cách lũy thừ n :
Trong đó
Lp(R) tổn hao đường truyền trung bình
L(R0) tổn hao đường truyền từ máy phát đến khỏang cách tham khảo R0 dB n mũ tổn hao trung bình
R khỏang cách đến máy phát (m)
R0 khỏang cách tham khảo đến máy phát (m)
Ta chọn R0 bằng 1m va2 coi rằng L(R0) là tổn hao đường truyền không gian tự do từ máy phát đến cự ly tham khảo 1m . Sau đó ta coi rằng hệ số khuyếch đại anten bằng các tổn hao của cáp hệ thống ( trong thực tế không phải bao giờ điều này cũng đúng ) ta được tổn hao đường truyền L(R0) =31.5 dB ở tần số 914 MHz trên đường truyền không gian tự do 1m
Người ta nhận thấy rằng tổn hao đường truyền được phân bố log xung quanh phương trình 2.17 . Mũ tổn hao đường truyền trung bình n và lệch chuẩn phụ thuộc vào kiểu tòa nhà , cánh nhà và tầng số giữ máy phát và máy thu có thể xác định được tổn hao đường truyền ở đọan phân cách R m giữa máy phát và máy thu như sau :
Trong đó :
L(R) tổn hao đường truyền ở cự ly phân cách , R m giữa phát và thu
σ
X biến ngẫu nhiên phân bố log chuẩn trung bình không với lệch chuẩn σ dB
Ở môi trường nhiều tầng phương trình 2.17 có thể thay đổ để nhấn mạnh mũ tổn hao đường truyền trung bình là hàm số của số tầng giữa máy phát và máy thu . Giá trị n (nhiếu tầng ) được cho ở bảng trên
Trong đề xuất của một mô hình dự đóan tổn hao đường truyền khác thừa số tổn hao tầng được sửa dụng FAF . Một thừa số tổn hao (theo dB) phụ thuộc vào số tầng và kiểu nhà được đưa vào đường truyền tổn hao trung bình trong đó dự đóan của mô hình tổn hao đường truyền sửa dụng tổn hao cùng tầng cho kiểu nhà cụ thể
Trong đó R tính theo m và L®=31.7dB tại 914MHz
Bảng số liệu ở dưới cung cấp các thừa số suy hao và lệch chuẩn ( theo dB) của hiệu số giữ tổn hao đường truyền đo và dự đóan . Các giá trị cho thừa số suy hao là trung bình tính theo dB của hiệu số giữa tổn hao đường truyền quan sát ở các vị trí của nhiều tầng và giá trị tổn hao của đường truyền trung bình dự đóan mô hinh Rn đơn giản trong đó n là mũ cùng tầng cho từng cấu trúc nhà và R là khỏang cách ngắn nhất trong 3 chiêu giữa máy phát và máy thu
Các thừ số tổn hao tầng trung bình
Mô hình thừa số suy hao tường betong và vách ngăn mềm
Các ảnh hưởng của các vách ngăn mềm và tường betông ( theo dB) giữa máy phát và máy thu cho cùng tầng được mô hình theo công thức sau
Trong đó
p= số vách ngăn mềm giữa máy phát và máy thu q= số tường betong giữ máy phát và máy thu
λ bước sóng (m)
AF=1.39dB cho một vách ngăn mềm AF=2.38dB cho một tường betong Thí dụ:
Sửa dụng 2 phương trình 2.19 và 2.20 để dự đóan tổn hao trung bình ở cự ly R=30m qua 3 tầng của 1 tòa nhà văn phòng
Coi rằng mũ tổn hao trung bình cho phép đo cùng tầng trong tòa nhà này là n=3.27 , mũ tổn hao trung bình cho các phép đo 3 tầng là n=5.22 và FAF trung bình là 24.4dB Từ 2.19 ta được
Từ 2.20 ta được
Kết quả nhận được từ hai mô hình khá giống nhau