Chương 2: CƠ SỞ THIẾT KẾ MẠNG CDMA
2.3. Các mô hình tổn hao đường truyền trong thông tin di động
2.3.2. Các mô hình tổn hao đường truyền
2.3.2.1. Mô hình tổn hao đường truyền trong không gian tự do:
Tổn hao đường truyền trong không gian tự do là quá trình mà ở đó tín hiệu thu yếu dần do khoảng cách giữa trạm di động và trạm gốc tăng lên. Khi không có vật cản giữa anten phát và anten thu. Trong trường hợp không gian tự do đối với một anten cho trước thì mật độ công suất thu suy hao tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách R giữa anten phát và anten thu.
R2 2 p 4
L = πλ (2.1) Nếu tính theo dB ta có
Lp = 32,4 + 20log(fc) + 20log(R) (2.2)
Với
+ R (km): Khoảng cách giữa máy thu và máy phát + λ ( mà ): Bước súng tớn hiệu
+ fc (Mhz): Tần số sóng mang của tín hiệu + Lp (dB): Tổn hao đường truyền của tín hiệu
Nhận xét: Mô hình tổn hao trong không gian tự do được sử dụng chủ yếu trong thông tin vệ tinh và hệ thống thông tin khoảng cách xa khi mà truyền tín hiệu chủ yếu trong không gian tự do.
Trong hệ thống thông tin di động hàng ngày mà chúng ta đang sử dụng thì tổn hao chủ yếu là do các vật cản như toà nhà, cây cối…Do đó trong thực tế, để tính toán hệ thống thông tin di động cần các mô hình truyền sóng phức tạp hơn, có độ chính xác hơn, tức là chứa nhiều tham số về đường truyền hơn.
2.3.2.2. Mô hình Hata Okumura.
Mô hình Okumura là một trong những mô hình được sử dụng rộng rãi nhất để tính toán trong môi trường thành thị. Mô hình này có thể áp dụng được trong dải tần từ 150MHz tới 1920MHz, với khoảng cách từ 1km tới 100km. Nó có thể dùng cho chiều cao anten trạm gốc từ 30m tới 1000m, còn mô hình Hata là một mô hình kinh nghiệm được áp dụng trong dải tần từ 150MHz tới 1500MHz. Mô hình này giúp xác định suy hao đường truyền trong các trường hợp khác nhau.
Dưới đây là các biểu thức được sử dụng trong mô hình Hata để xác định tổn hao trung bình Lp.
A - Vùng thành phố (urban area):
Lp = 69,55+26,16logfc-13,82loghb-a(hm)+(44,9-6,55loghb)logR (dB) (2.3) Trong đó:
fc: Tần số (MHz).
lp: Tổn hao trung bình(dB).
hb: Độ cao anten trạm gốc (m).
a(hm): Hệ số hiệu chỉnh cho độ cao anten di động (dB) R: Khoảng cách từ trạm gốc đến MS(km)
Dải tham số sử dụng được cho mô hình Hata là:
150 ≤ fc ≤1500 Mhz 30 ≤ hb ≤ 200 m 1 ≤ hm ≤10 m 1 ≤ R 20 km ≤ a(hm) được tính như sau:
+ Đối với thành phố nhỏ và trung bình:
a(hm) = (1,1logfc – 0,7)hm – (1,56logfc –0,8) [dB] (2.4) + Đối với thành phố lớn:
a(hm) = 8,29(log1,54hm)2 – 1,1 [dB]; fc ≤200 MHz (2.5) hoặc a(hm) = 3,2(log11,75hm)2 – 4,97 [dB]; fc ≥ 400 MHz
(2.6)
B - Vùng ngoại ô (suburban area)
Lp (suburban) = Lp(urban) – 2[log(fc/28)2 – 5,4] [dB]
(2.7)
C - Vùng nông thôn (open area):
Lp (open) = Lp (urban) 4,78(logf– c)2 – 40,94 [dB] (2.8) Mô hình Hata không xét đến mọi hiệu chỉnh cho đường truyền cụ thể được sử dụng trong mô hình Okumara. Mô hình Okumara có khuynh hướng trung bình hoá một số tình trạng cực điểm và không đáp ứng nhanh sự thay đổi nhanh của mặt cắt đường truyền vô tuyến. Mô hình Okumara yêu cầu thực hiện đánh giá 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 đoán các nhân tố môi trường trên cơ sở tính chất vật lý của các toà nhà xung quanh máy thu di động. Ngoài các nhân tố
về môi trường phù hợp cần thực hiện hiệu chỉnh theo đường truyền cụ thể để biến đổi dự đoán tổn hao đường truyền trung bình của Okumara và dự đoán cho đường 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 sử dụng để tính toán.
2.3.2.3. Mô hình Walfisch/Ikegami (COST 231)
Mô hình này được sử dụng để đánh giá tổn hao đường truyền của môi trường thành phố cho thông tin tế bào. 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 dải tần 800 ÷ 2000 MHz. Mô hình này chứa ba phần tử: Tổn hao không gian tự do (Lf), nhiễu xạ mái nhà - phố (diffraction rooftop to street) và tổn hao tán xạ (Scatter) (Lrts) và tổn hao do nhiều vật chắn (multiscreen) (Lms). Các biểu thức sử dụng cho mô hình này như sau:
Lp = Lf + Lrts + Lms [dB] (2.9) Hay: L p = Lf khi Lrts + Lms≤ 0
(2.10) 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:
Lp = 32,4 + 20log(fc) + 20log(R) [dB] (2.11) Nhiễu xạ nóc nhà-phố và tổn hao phân tán tính như sau:
Lrts = -16,9 – 10logW + 10logfc+ 20log(Δhm) + Lo [dB] (2.12) Trong đó:
+ W = độ rộng phố (m) + h∆ m = hr – hm (m)
+ LO = -9,646 dB với 00 ≤ ф ≤ 350 + LO = 2,5 + 0,075(φ-35) dB với 350 ≤ ф ≤ 550 + LO = 4 0,114(φ-- 55) dB với 550 ≤ ф ≤ 900 + φ: góc tương ứng tạo với đường phố
Tổn hao các vật chắn xác định như sau:
Lms = Lbsh + Ka + KdlogR + Kflogfc – 9logb [dB] (2.13) Trong đó:
+ b: Khoảng cách giữa các toà nhà dọc theo đường truyền vô tuyến (m) + Lbsh = -18log11 +∆hb nếu hb > hr
+ Lbsh = 0 nếu hb < hr
+ Ka = 54 nếu hb > hr
+ Ka= 54 0,8h– b nếu R ≥ 500m; hb h≤ r + Ka= 54 1,6∆– hbR nếu R < 500m; hb h≤ r + Kd = 18; hb < hr
Hình 2.3: Mô hình đường truyền (COST 231)
Chú ý: Cả Lbsh và Ka đều tăng tổn hao đường truyền khi độ cao anten trạm gốc thấp hơn.
R
MS
θ
Δhb
h
Δhm
h
hb
b w
+ =18
Kd hr hb <
+
Δhm hb 15 d 18
K Δ
−
= hr
hb ≥
+
−
+
= 1
925 fc 0,7 f 4
K đối với thành phố trung bình và vùng ngoại ô có mật độ cây trung bình
+
−
+
= 1
925 fc 1,5 f 4
K đối với trung tâm thành phố
Dải thông số cho mô hình Walfisch Kkegami phải thoả mãn:- 800 ≤ fc ≤ 2000 Mhz
4 ≤ hb ≤50 m 1 ≤ hm ≤ 3 m 0,02 ≤ R ≤ 5 km
Có thể sử dụng các giá trị mặc định sau cho mô hình:
b = 20 ÷ 50 m;
W = b/2;
ф = 90º
hr(chiều cao tòa nhà) = 3 x (số tầng) + chiều cao nóc nhà
Với chiều cao nóc nhà bằng 3m cho nóc nhà có mái dốc và 0m cho nóc nhà phẳng.
2.3.2.4. Nhận xét
Các mô hình trên được xây dựng chủ yếu nhằm phục vụ cho các công nghệ thông tin di động hiện tại. Tuy nhiên, đây đều là các mô hình thực nghiệm dựa trên sự tổng hợp có hệ thống dữ liệu đo thu được trong một vùng phục vụ nhất định. Để áp dụng các mô hình này tại một vùng nhất định, cần kết hợp với một số kết quả đo đạc thực tế để có những hiệu chỉnh cụ thể.