Mô hình thực nghiệm (Empirical Model)

CHƯƠNG 2: KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN VÀ MÔ HÌNH TRUYỀN SÓNG . 10

2.3 MÔ HÌNH TRUYỀN SÓNG

2.3.3 Mô hình thực nghiệm (Empirical Model)

Mô hình thực nghiệm đơn giản hóa Path Loss kênh truyền bằng cách coi Path Loss nhƣ một hàm bậc nhất, (hoặc tổng của nhiều hàm bậc nhất với các hệ số khác nhau) theo hàm log của khoảng cách. Thực tiễn đƣợc kiểm nghiệm tại nhiều khu vực trên thế giới cho thấy phương trình dạng này phản ánh khá chính xác khi so sánh với các kết quả đo kiểm, [2], [10], [14], [15].

0

0

( ) ( ) 10 lg( d ) PL dB K dB

 d

   (2.11)

Trong đó, d0 là khoảng cách tham chiếu, và hệ số K đƣợc xác định theo công thức:

0

0

( ) 20 lg( ) K dB 4

d



  (2.12)

Hệ số lũy thừa của Path Loss đƣợc [2] đƣa ra nhƣ sau:

Bảng 2.1: Hệ số lũy thừa suy hao  tương ứng với các môi trường lý thuyết khác nhau

Môi trường Dải hệ số 

Macro Cell khu vực tập trung dân cƣ 3.7 - 6.5 Micro Cell khu vực tập trung dân cƣ 2.7 - 3.5 Các tòa nhà công sở có độ cao đồng đều và thấp 1.6 - 3.5 Các tòa nhà công sở có độ cao không đồng đều và cao 2.0 - 6.0

Khu vực nhiều cửa hàng 1.8 - 2.2

Môi trường Dải hệ số 

Khu vực nhiều nhà máy 1.6 - 3.3

Căn hộ 3

Thực tế cho thấy các giá trị đƣa ra trong [2] không hoàn toàn chính xác trong nhiều trường hợp. Người ta cần căn cứ vào các kết quả đo kiểm và giải thuật riêng biệt cho từng mô hình để đề xuất các mô hình dự đoán phù hợp với môi trường quy hoạch.

Bản chất của quá trình này là xác định các hệ số K0 và  trong công thức (2.11).

Ƣu điểm của mô hình thực nghiệm:

- Tính toán nhanh, đo đạc và xác định mô hình nhanh chóng với chi phí thấp.

- Cho độ chính xác chấp nhận được đối với nhu cầu quy hoạch mạng lưới.

Nhƣợc điểm của mô hình:

- Cần phải đo kiểm và hiệu chỉnh lại cho mỗi khu vực quy hoạch.

- Không nhìn rõ bản chất vật lý của các cơ chế truyền sóng.

- Mô hình không chính xác trong trường hợp gặp các tòa nhà lớn, hoặc đồi núi.

Mô hình cũng không phù hợp với môi trường Dense Urban.

Trong phần tiếp theo, đề tài sẽ trình bày các mô hình thực nghiệm theo trình tự thời gian, qua đó có thể thấy rõ hơn nỗ lực tiếp cận ngày càng chính xác các kênh truyền vô tuyến của các mô hình.

2.3.3.1 Mô hình Egli (1957)

Mô hình Egli đƣợc giới thiệu bởi John Egli năm 1957 trên cơ sở các dữ liệu thu thập đƣợc về sóng vô tuyến truyền hình trên nhiều thành phố lớn, [6]. Egli quan sát thấy rằng Path Loss kênh truyền tỷ lệ với lũy thừa bậc 4 của hàm log theo khoảng cách.

Mô hình Egli, do đó, có dạng tương tự như mô hình 2 tia.

Tần số 40MHz – 900MHz. Khoảng cách thu – phát nhỏ hơn 60km.

m 10 : h  m

( ) 20lg( c) 40lg( ) 20lg( ) 10lg(b m) 76.3

PL dB  f  d  h  h  (2.13)

m 10 : h  m

( ) 20lg( c) 40lg( ) 20lg( ) 10lg(b m) 85.9

PL dB  f  d  h  h  (2.14)

Mô hình Egli đơn giản, có thể coi nhƣ mô hình 2 tia đƣợc hiệu chỉnh thêm các thành phần liên quan đến tần số và chiều cao anten. Tuy nhiên, nhƣợc điểm của mô hình là hạn chế về tần số (nhỏ hơn 900MHz) và tính chính xác chƣa cao.

2.3.3.2 Mô hình Okumura – Hata (1980)

Okumura đo kiểm thực nghiệm tại Tokyo và đưa ra phương trình mang tên ông lần đầu tiên vào năm 1968. Năm 1980, Hata hiệu chỉnh phương trình sau khi đo kiểm trên một số khu vực khác, [9], [14], [15]. Mô hình Okumura – Hata chia các khu vực thành 03 lại chính: Open (Rural hoặc Dessert), SubUrban hoặc Urban.

Tần số: Từ 500 – 1500MHz. Khoảng cách thu – phát từ 1km – 10km.

Anten phát từ 30m – 200m, anten thu từ 1m – 10m.

Phương trình Okumura – Hata:

Môi trường SubUrban:

( ) lg( )

PL dB   A B d  C (2.15) Môi trường Urban:

( ) lg( )

PL dB   A B d  E (2.16) Môi trường Open (Rural, Dessert):

( ) lg( )

PL dB   A B d  D (2.17) Trong đó:

69.55 26.16lg( c) 13.82lg( )b

A   f  h (2.18)

44.9 6.55lg( )b

B   h

2

2 lg( ) 5.4 28

fc

C    

 2

4.78 lg( c) 18.33lg( c) 40.94

D  f  f 

Thành phố lớn, fc ≥ 300MHz: E 3.2 lg(11.76 hm)2 4.97 Thành phố lớn, fc < 300MHz: E 8.29 lg(1.54 hm)2 1.1

Thành phố vừa và nhỏ: E (1.1lg( fc) 0.7) hm (1.56lg(fc) 0.8) Ưu điểm: Phương trình phản ánh khá chính xác Path Loss tại những khu vực có vùng phủ rộng, ví dụ nhƣ khoảng cách máy phát – máy thu từ 1km trở lên, chẳng hạn nhƣ khu vực nông thôn.

Nhƣợc điểm: Mô hình không phù hợp với độ cao anten thấp, vùng phủ hẹp, tần số cao hơn hoặc địa hình có gò, đồi, hoặc cây cối.

2.3.3.3 Mô hình Cost – 231 Hata (1999)

Mô hình Cost – 231 Hata cho các thành phố nhỏ thực ra chính là mô hình Okumura – Hata đƣợc mở rộng cho dải tần từ 1500MHz đến 2000MHz vào năm 1999, [14], [15].

Tần số: Từ 1500 – 2000MHz. Khoảng cách thu – phát từ 1km – 20km.

Anten phát từ 30m – 200m, anten thu từ 1m – 10m.

( ) lg( )

PL dB   F B d   E G (2.19) Trong đó:

46.30 33.90lg( c) 13.82lg( )b

F   f  h (2.20)

G = 0dB cho các thành phố nhỏ và G = 3dB với các thành phố lớn.

E ở phương trình Okumura – Hata bên trên.

Mô hình này đƣợc kiểm chứng thực nghiệm tại Lithuania tại các tần số 160, 450, 900 và 1800MHz [18]. Kết quả:

- Độ lệch chuẩn khoảng 5 – 7dB với môi trường Urban và SubUrban.

- Môi trường Urban tại tần số 900MHz cho kết quả chính xác nhất.

- Môi trường nông thôn, vùng phủ mở cho độ lệch chuẩn lên tới 15dB.

Kết quả kiểm chứng tại Brazil ở tần số 800/900MHz, [14]:

- Sai số trung bình tuyệt đối: 4.42dB với môi trường Urban.

- Độ lệch chuẩn: 2.63dB, khá chính xác.

Ngoài các mô hình thực nghiệm kể trên, còn có khá nhiều các mô hình thực nghiệm khác đã đƣợc nghiên cứu và đề xuất, chẳng hạn nhƣ mô hình Lee (1982), mô hình Ibrahim–Parsons (1983)...