Mục đích chủ yếu của mô hình hóa kênh kích thước lớn là tính suy hao đường truyền path loss. Trong hệ thống vô tuyến băng hẹp, việc tính suy hao đường truyền thường sử dụng một công thức rất thông dụng là công thức Friis. Trong mục 3.2 này, đầu tiên ta sẽ xem xét công thức Friis được ứng dụng như thế nào trong hoàn cảnh UWB với dải tần rất rộng lên tới hàng GHz. Sau đó, sẽ đưa ra mô hình suy hao đường truyền được sử dụng trong 2 chuẩn của IEEE là 802.15.3a. Nên nhớ rằng, IEEE là tổ chức chuẩn hóa hàng đầu thế giới, do đó mô hình path loss đưa ra trong IEEE 802.15.3a mặc dầu chỉ có tính chất tham chiếu nhưng về lâu dài chắc chắn sẽ có tính định hướng cao và vì thế các mô hình khác phải tuân theo chuẩn này.
3.2.1. Suy hao đường dẫn trong không gian tự do theo công thức Friis
Công thức Friis mô tả quan hệ giữa công suất tín hiệu ở máy thu theo công suất máy phát như sau:
=
(3.1)
PRx, PTx lần lượt là công su t cấ ủa máy thu và máy phát.
GTx, GRx lần lượt là h s ệ ố tăng ích của anten phát và anten thu.
là chiều dài bước sóng.
là kho ng cách giả ữa máy phát và máy thu.
Công thức Friis được xây dựng khá đơn giản: giả thiết máy phát và máy thu cách nhau r đủ lớn để bỏ qua kích thước của thiết bị. Máy phát bức xạ đẳng hưởng trong không gian tự do. EIRP là công su t b c x hi u d ng c a máy phát. Vì bấ ứ ạ ệ ụ ủ ức xạ đẳng hướng nên năng lượng được b c x u trên m t c u có diứ ạ đề ặ ầ ện tích 4 , với mật độ công suất là:
= (3.2)
Tại đầu thu, anten thu có độ mở hiệu dụng (diện tích hiệu dụng) là Ae, do đó công suất thu được là:
= . =
(3.3)
Mà độ mở hiệu dụng Ae lại quan hệ với hệ số tăng ích (gain) của anten theo công thức:
= (3.4)
Thay vào phương trình 3.3 ta được:
=
(3.5)
Vì năng lượng bức xạ đẳng hướng hiệu dụng EIRP là tích số của công suất anten phát PTx với hệ số tăng ích GTx : EIRP = PTx.GTx và thay vào phương trình trên ta được:
=
(3.6)
Đến đây ta được công thức Friis dùng để biễu diễn mối quan hệ giữa công suất thu theo công suất phát. Hệ số λ2/4πr2 gọi là suy hao đường dẫn. Trong công thức trên bước sóng λ chứng tỏ công suất thu được phụ thuộc vào tần số, tuy vậy thực ra sự
phụ thuộc này là do ảnh hưởng của anten, do độ mở hiệu dụng của anten phụ thuộc vào tần số.
Nhìn vào công thức Friis ta thấy mặc dù công thức trên đã tính toán được công suất thu theo công suất phát, tức là có vẻ như tính được suy giảm công suất trên đường truyền, tuy vậy công thức trên đã gộp cả yếu tố anten (cụ thể là hệ số tăng ích GTx
của anten phát và GRxcủa anten thu). Công thức này phát huy tốt trong trường hợp hệ thống vô tuyến băng hẹp, vì khi này cả GTx, GRxvà λ đều biến đổi ít, có thể xem là hằng số. Tuy nhiên trong hệ thống UWB, với dải tần làm việc 7.5 GHz kéo dài từ 3.1 GHz tới 10.6 GHz cả 3 yếu tố kể trên đều thay đổi rất mạnh nên công thức Friis nói trên không thích hợp để tính suy hao đường truyền.
Vả lại, như đã trình bày ở phần 3.1 của chương này, cách tiếp cận của ta là tách bạch ảnh hưởng của kênh và anten lên tín hiệu, điều mà công thức Friis không đáp ứng được, do đó ta cần đưa ra mô hình khác thích hợp hơn.
3.2.2. Mô hình suy hao đường dẫn trong chuẩn IEEE 802.15
Chuẩn IEEE 802.15 là chuẩn dành cho mạng cá nhân không dây WPAN (Wireless Personal Area Network). Công nghệ UWB được sử dụng để truyền thông trong chuẩn này. IEEE đã chia họ chuẩn này thành hai chuẩn nhỏ hơn, có tính chất khá đối ngược nhau:
802.15.3a: mục đích của chu n này là xây d ng k t n i không dây tẩ ự ế ố ốc độ ấ r t cao ở ự c ly ngắn (dưới 10m), có m c tiêu th công th p nh ứ ụ ấ ỏ hơn mạng LAN không dây (802.11a). Các thông số ự ế d ki n c a 802.15.3a: tủ ốc độ110 Mbps ở kho ng cách ả 10m, công suất 100 mW và 480 Mbps ở kho ng cách 2m, công suả ất 250 mW.
802.15.4a: mục đích của chu n là xây d ng m t chu n truy n thông không dây ẩ ự ộ ẩ ề có mức năng lượng tiêu cự ấ th p (nhỏ hơn 50 ầl n so v i Bluetooth) tớ ốc độ ấ th p phạm vi c 100m. IEEE 802.15.4a có tỡ ốc độ gi i hớ ạn 20Kbps ở khoảng cách 75m, cho phép tối đa 65000 thiết bị.
Trong đồ án này, ta chỉ quan tâm tới chuẩn 802.15.3a, tức áp dụng cho mạng cá nhân không dây tốc độ cao cự ly hoạt động 10m. Sau đây ta sẽ xét mô hình suy hao đường dẫn trong chuẩn này.
3.2.2.1. IEEE 802.15.3a
Mô hình suy hao đường dẫn trong chuẩn này có hai đặc điểm quan trọng:
Tính ch t ch n lấ ọ ọc tần số ủ c a kênh (tính ph thuụ ộc tần số) được bỏ qua
Tính chất ph thu c kho ng ụ ộ ả cách được mô hình hóa theo công th c tính suy ứ hao trong không gian t do cự ủa hệ băng hẹp.
B qua shadowing (loỏ ại fading có kích thước trung bình, xem ph n 3.1.3) ầ Mô hình tính suy hao đường dẫn mà IEEE 802.15.3a khuyến nghị thể hiện qua công thức sau:
( ) = ()
(3.7)
Trong đó:
L(d) là suy hao đường d n (pathloss) t i kho ng cách d tính theo dB ẫ ạ ả
L(d0) là suy hao đường d n t i m t kho ng cách tham chi u dẫ ạ ộ ả ế 0 tính theo dB
và lần lượt là giá trị trung bình và độ ệch quân phương củ l a hệ ố s suy hao đường d n (pathloss coefficient hay pathloss exponent n, chú ý r ng n có phân ẫ ằ b Gauss: n = N(ố , )
Các tham số trên được khuyến nghị theo bảng 3.1 sau (được tính toán từ quá trình đo đạc của nhóm phát triển 802.15.3a):
Giá trị trung bình trường hợp
LOS
Độ lệch quân phương trường hợp LOS
Giá trị trung bình trường hợp
NLOS
Độ lệch quân phương trường hợp
NLOS
L(d0) [dB] -47 -51
n 1.7 0.3 3.5 0.97 Bảng 3.1 Giá trị suy hao đườngtruyền
Trong bảng trên,
Như đã nói n có phân bố chu n nên giá tr trung bình là ẩ ị lđộ ệch quân phương là
LOS kí hiệu cho trường h p có t m nhìn th ng (Light of Sight), tợ ầ ẳ ức đường mà tín hiệu đi trực ti p t máy phát tế ừ ới máy thu mà không bị ậ v t ch n. ắ
NLOS kí hiệu cho trường h p không có t m nhìn th ng ợ ầ ẳ