Các đặc tính kênh và lan truyền là các yếu tố cấu thành chính của ma trận kênh MIMO, quyết định quan trọng đến hiệu suất của bất kỳ kỹ thuật MIMO nào có khả năng được áp dụng.
2.1.1 Suy hao
Suy hao do mưa
Khi lan truyền qua tuyết, mưa đá, các giọt băng và chủ yếu là mưa, sóng bức xạ bị tán xạ và hấp thụ. Điều này dẫn đến quá trình fading chậm và phẳng, tỷ lệ theo bình phương của tần số. Do đó, đây là yếu tố chi phối hạn chế tính khả dụng của hệ thống. Mức suy hao tín hiệu do mưa ở băng tần Ka khoảng 23-48dB, cao hơn nhiều so với băng tần C và Ku.
Trên cơ sở các khuyến nghị của ITU nêu trên, suy hao do mưa được tính theo cơng thức:
𝛾𝑅 = 𝑘𝑅𝛼 (2.1)
trong đó 𝛾𝑅 [dB/km] là suy hao do mưa, 𝑅 [mm/h] là lượng mưa còn 𝑘 và 𝛼 là
hệ số suy hao do mưa, phụ thuộc vào tần số. Ở Việt Nam giá trị 𝑘 = 0.15 và
𝛼 = 1,04470 tại tần số 21GHz.
Bảng 2.1 Suy hao do mưa tại một số địa điểm, tại 0,3% thời gian
Địa điểm Moscow London Paris Istanbul
Suy hao (dB) 18,1 GHz 2,4 2,4 2,2 2,5 27,8 GHz 5,4 5,3 4,9 5,6
Bảng 2.1 cho thấy lượng suy hao do mưa tại một số địa điểm tại hai tần số 18,1 GHz và 27,8 GHz. Kết quả cho thấy, suy hao do mưa phụ thuộc lớn vào phần trăm thời gian, tốc độ mưa, ngồi ra cịn phụ thuộc vào vị trí trạm mặt đất.
vực Châu Á (suy hao do mưa ở băng tần Ka ở Châu Âu chỉ tương đương suy hao do mưa ở băng tần Ku ở khu vực Châu Á). Đây là một lợi thế để vệ tinh băng tần Ka được phát triển mạnh ở Châu Âu, cũng như ở nhưng nơi lượng mưa thấp.
Hấp thụ khí
Suy hao khí [dB] cụ thể được viết là:
𝛾 = 𝛾𝑜 + 𝛾𝑤 = 0.182 𝑓 𝑁″(𝑓) (2.2)
trong đó 𝛾𝑜 và 𝛾𝑤 lần lượt là suy hao do không khí khơ và hơi nước, 𝑓 [GHz] là tần số và 𝑁″(𝑓) là phần ảo của hiện tượng khúc xạ phức phụ thuộc vào tần số.
Hấp thụ oxy và hơi nước góp phần làm suy hao, mặc dù ở một mức độ nhỏ hơn nhiều so với suy hao do mưa, thể hiện qua bảng 2.2.
Bảng 2.2 Suy hao do hấp thụ khí quyển tính theo dB
Địa điểm
Moscow London Paris Istanbul
18,1 GHz 27,8 GHz 18,1 GHz 27,8 GHz 18,1 GHz 27,8 GHz 18,1 GHz 27,8 GHz Suy hao Hấp thụ khí 0,6 1,1 0,6 1,1 0,5 0,9 0,4 0,8 Mưa 2,4 5,4 2,4 5,3 2,2 4,9 2,5 5,6
Suy hao do mây
Hàm lượng nước lỏng của các đám mây hoặc sương mù là nguyên nhân vật lý của loại suy hao này. Đối với các đám mây hoặc sương mù bao gồm hoàn toàn là các giọt nhỏ, thường nhỏ hơn 0,01 cm thì độ suy hao cụ thể có thể được viết là:
𝛾𝑐 (𝑓, 𝑇) = 𝐾𝑙(𝑓, 𝑇)𝑀 (2.3)
trong đó 𝛾𝑐 [dB/km] là suy hao do mây, 𝐾𝑙 là hệ số suy hao riêng của nước,
𝑀 [(dB/km)/(g/m3 )] là mật độ nước trong đám mây hoặc sương mù, 𝑓 [GHz] là
tần số và 𝑇 [K] là nhiệt độ nước. Suy hao khác
Sự thay đổi chiết suất của tầng đối lưu gây ra fading nhanh làm suy hao tín hiệu, trầm trọng hơn khi tần số hoạt động tăng lên.
Ngoài ra, sự dịch chuyển và suy hao pha khác nhau gây ra bởi các chất tán xạ như giọt mưa và tinh thể nước đá dẫn đến sự phân cực, gây ra sự suy hao công suất.
2.1.2 Tương quan không gian
Bản chất của cơng nghệ MIMO là việc sử dụng kích thước khơng gian để cải thiện hiệu suất của hệ thống không dây. Trên thực tế, mức tăng hiệu suất dự đoán mà MIMO đạt được sẽ được khai thác triệt để khi lượng tương quan giữa các đường dẫn thay thế được tạo bởi nhiều ăng ten ở máy phát và máy thu thấp. Tuy nhiên, thực tế là các liên kết Trái đất - không gian hoạt động trên 10 GHz là LoS, tức là khơng có bộ phân tán gần đó tại vệ tinh hoặc trạm mặt đất để gây ra đa đường, khiến cho việc đạt được các đường đi độc lập hồn tồn rất khó khăn. Các giải pháp được trình bày ở phần tiếp theo cũng dựa trên đặc tính này của kênh MIMO.
2.1.3 Hiệu ứng Doppler
Sự chuyển động tương đối giữa vệ tinh và UT gây ra sự thay đổi tần số. Dịch tần Doppler được biểu diễn cụ thể như sau:
𝑓𝑑 =𝑣𝑑
𝜆 =
𝑣𝑑𝑓𝑐
𝑐 (2.4)
trong đó 𝑓𝑐 [GHz] là tần số, 𝑐 [m/s] là tốc độ ánh sáng và 𝑣𝑑 [m/s] là vận tốc hướng âm tương đối giữa vệ tinh LEO và UT.
Ta có biểu thức theo tương quan vị trí của vệ tinh và người dùng:
𝑅𝑒 + ℎ
sin (𝛾 + 90°) =
𝑅𝑒
sin (𝛿) (2.5)
trong đó 𝑅𝑒 [km] là bán kính trái đất, ℎ [km] là độ cao của vệ tinh, 𝛾 là góc ngẩng của ăng ten phía UT, 𝛿 là góc nhìn của vệ tinh.
Biểu thức vận tốc hướng tâm tương đối 𝑣𝑑 là:
𝑣𝑑 = 𝑣𝑐𝑜𝑠(90 − 𝛿) = 𝑣𝑠𝑖𝑛(𝛿) (2.6)
Từ (6), (7) và (8) ta tính được dịch tần Doppler giữa vệ tinh và UT:
𝑓𝑑 = 𝑣𝑓𝑐𝑅𝑒𝐶𝑜𝑠(𝛾)
𝑐(𝑅𝑒 + ℎ
Hình 2.1 cho thấy sự thay đổi trong dịch tần Doppler đối với một đường truyền vệ tinh từ thời điểm vệ tinh được UT quan sát cho đến khi nó biến mất.
Hình 2.1 Dịch tần Doppler trong truyền thông vệ tinh