Hệ thống thông tin vô tuyến

2.2.1. Khái niệm

Hình 2.2 thể hiện một mô hình đơn giản của một hệ thống thông tin vô tuyến. Nguồn tin trước hết qua mã hoá nguồn để giảm các thông tin dư thừa, sau đó được mã hoá kênh để chống các lỗi do kênh truyền gây ra. Tín hiệu sau khi qua mã kênh được điều chế để có thể truyền tải đi xa. Các mức điều chế phải phù hợp với điều kiện của kênh truyền. Sau khi tín hiệu được phát đi ở máy phát, tín hiệu thu được ở máy thu sẽ trải qua các bước ngược lại so với máy phát. Kết quả tín hiệu được giải mã và thu lại được ở máy thu. Chất lượng tín hiệu thu phụ thuộc vào chất lượng kênh truyền và các phương pháp điều chế và mã hoá khác nhau. Do đó ngày nay các kỹ thuật mới ra đời nhằm cải thiện chất lượng kênh truyền nói riêng và mạng vô tuyến nói chung, một trong những kỹ thuật đó là MC-CDMA.

2.2.2.Kênh truyền vô tuyến [4]

Chất lượng của các hệ thống thông tin phụ thuộc nhiều vào kênh truyền, nơi mà tín hiệu được truyền từ máy phát đến máy thu. Không giống như kênh truyền hữu tuyến là ổn định và có thể dự đoán được, kênh truyền vô tuyến là hoàn toàn ngẫu nhiên và không hề dễ dàng trong việc phân tích. Tín hiệu được phát đi, qua kênh truyền vô tuyến, bị cản trở bởi các toà nhà, núi non, cây cối …, bị phản xạ, tán xạ, nhiễu xạ…, các hiện tượng này được gọi chung là fading. Và kết quả là ở máy thu, ta thu được rất nhiều phiên bản khác nhau của tín hiệu phát. Điều này ảnh hưởng đến chất lượng của hệ thống thông tin vô tuyến. Do đó việc nắm vững những đặc tính của kênh truyền vô tuyến là yêu cầu cơ bản để có thể chọn lựa một cách thích hợp các cấu trúc của hệ thống, kích thước của các thành phần và các thông số tối ưu của hệ thống.

Nguồn tin Mã hoá kênh

(_{Channel coding)}

Mã hoá nguồn (Source coding)

Tín hiệu đích (Destination)

Giải mã hoá kênh (Channel decoding)

Giải mã hoá nguồn (Source decoding)

Điều chế (Modulation)

Kênh vô tuyến

(Channel) Giải điều chế (Demodulation )

 a

 

a

Hiện tượng fading trong một hệ thống thông tin có thể được phân thành hai loại: Fading tầm rộng (large-scale fading) và fading tầm hẹp (small-scale fading).

Fading tầm rộng diễn tả sự suy yếu của trung bình công suất tín hiệu hoặc độ suy hao kênh truyền là do sự di chuyển trong một vùng rộng. Hiện tượng này chịu ảnh hưởng bởi sự cao lên của địa hình (đồi núi, rừng, các khu nhà cao tầng) giữa máy phát và máy thu. Người ta nói phía thu được bị che khuất bởi các vật cản cao. Các thống kê về hiện tượng fading tầm rộng cho phép ta ước lượng độ suy hao kênh truyền theo hàm của khoảng cách.

Fading tầm hẹp diễn tả sự thay đổi đáng kể ở biên độ và pha tín hiệu. Điều này xảy ra là do sự thay đổi nhỏ trong vị trí không gian (nhỏ khoảng nửa bước sóng) giữa phía phát và phía thu. Fading tầm hẹp có hai nguyên lý - sự trải thời gian (time-spreading) của tín hiệu và đặc tính thay đổi theo thời gian (time- variant) của kênh truyền.

2.2.3. Cơ chế lan truyền [4]

Tín hiệu được truyền từ nơi phát đến thiết bị nhận di động qua một hay nhiều sóng cơ sở. Sóng cơ sở gồm 1 tia truyền thẳng (LOS _ hình 1.3) và một vài tia nhiễu xạ hay phản xạ bởi cấu trúc cơ sở như địa hình, bề mặt tường, trần, sàn … Sóng LOS có thể suy giảm bởi cấu trúc được xen vào giữa nơi truyền và thiết bị nhận (hình 1.4). Suy giảm càng cao khi tần số càng cao và đáng kể với tần số sử dụng cho vô tuyến tế bào (cellular). Giá trị suy hao tính theo dB và phụ thuộc vào bước sóng truyền, kích thước và vật liệu của vật cản.

Hình 2.3:Sự suy giảm

Công suất thu được (hoặc đối ngược là công suất mất mát) là thông số quan trọng nhất trong việc dự đoán theo mô hình lan truyền kích thước lớn dựa trên ba cơ chế vật lý: phản xạ, nhiễu xạ, tán xạ

Có ba cơ chế chính ảnh hưởng đến sự lan truyền của tín hiệu trong hệ thống di động:

- Phản xạ - Nhiễu xạ - Tán xạ

2.2.3.1.Phản xạ

Phản xạ xảy ra khi sóng điện từ đập vào đối tượng có kích thước lớn so với bước sóng truyền. Chẳng hạn phản xạ xảy ra tại bề mặt trái đất, tại các tòa nhà hay các bức tường.

Nếu vật gây phản xạ là điện môi hoàn hảo: có một phần sóng phản xạ, một phần truyền qua và không có mất mát năng lượng (không có hấp thụ)

Nếu vật gây phản xạ là vật dẫn hoàn hảo: tất cả bị phản xạ và không có mất mát.

2.2.3.2. Nhiễu xạ

Nhiễu xạ là hiện tượng sóng có thể truyền cong theo bề mặt trái đất hay vòng sau vật cản. Nhiễu xạ xảy ra khi giữa bộ phát và thu bị cản trở bởi bề mặt có cạnh sắc giới hạn (gờ tường, cạnh tòa nhà…). Sóng thứ cấp tạo nên tại nơi cắt của bề mặt này chạy theo mọi hướng thậm chí vòng vào phía sau vật chắn nên sóng có thể nhận được ngay cả khi bộ phát không nhìn bộ thu (no line – of – sight path). Tại tần số cao nhiễu xạ và phản xạ phụ thuộc vào hình học của đối tượng cũng như biên độ, pha, cực tính của sóng tới tại điểm nhiễu xạ.

Hình 2.5: Hiện tượng nhiễu xạ

2.2.3.3. Tán xạ

Tán xạ xảy ra khi môi trường truyền sóng có những vật cản nhỏ so với bước sóng, và số những vật cản này trên đơn vị thể tích là lớn. Chẳng hạn sóng bị tán xạ trên bề mặt xù xì, lá cây, cột đèn, cột chỉ đường tạo nên tán xạ sóng trong thông tin di động.

Hình 2.6: Hiện tượng tán xạ

2.2.4. Các hiện tượng ảnh hưởng đến chất lượng kênh truyền [4]

2.2.4.1. Hiện tượng đa đường (Multipath)

Trong một hệ thống thông tin vô tuyến, các sóng bức xạ điện từ thường không bao giờ được truyền trực tiếp đến anten thu. Điều này xẩy ra là do giữa

nơi phát và nơi thu luôn tồn tại các vật thể cản trở sự truyền sóng trực tiếp. Do vậy, sóng nhận được chính là sự chồng chập của các sóng đến từ hướng khác nhau bởi sự phản xạ, khúc xạ, tán xạ từ các toà nhà, cây cối và các vật thể khác. Hiện tượng này được gọi là sự truyền sóng đa đường (Multipath propagation). Do hiện tượng đa đường, tín hiệu thu được là tổng của các bản sao tín hiệu phát. Các bản sao này bị suy hao, trễ, dịch pha và có ảnh hưởng lẫn nhau. Tuỳ thuộc vào pha của từng thành phần mà tín hiệu chồng chập có thể được khôi phục lại hoặc bị hư hỏng hoàn toàn. Ngoài ra khi truyền tín hiệu số, đáp ứng xung có thể bị méo khi qua kênh truyền đa đường và nơi thu nhận được các đáp ứng xung độc lập khác nhau. Hiện tương này gọi là sự phân tán đáp ứng xung (impulse dispersion). Hiện tượng méo gây ra bởi kênh truyền đa đường thì tuyến tính và có thể được bù lại ở phía thu bằng các bộ cân bằng. Hình 2.7 biểu diện hiện tượng đa đường trong thông tin vô tuyến.

Hình 2.7: Hiện tượng truyền sóng đa đường

2.2.4.2. Hiệu ứng bóng râm (shadowing)

Do ảnh hưởng của các vật cản trở trên đường truyền, ví dụ như các toà nhà cao tầng, các ngọn núi, đồi,… làm cho biên độ tín hiệu bị suy giảm. Tuy nhiên, hiện tượng này chỉ xảy ra trên một khoảng cách lớn, nên tốc độ biến đổi chậm. Vì vậy, hiệu ứng này được gọi là fading chậm.

2.3. Các mô hình lan truyền sóng ngoài trời [4]

Các mô hình lan truyền sóng ngoài trời được giới thiệu tiếp sau đây tính đến các địa hình mặt đất khác nhau, các vùng đồng bằng đồi núi hay các đô thị có nhiều tòa nhà cao tầng.

2.3.1. Mô hình Longley-Rice

Mô hình này ứng dụng cho liên lạc điểm – điểm, dải tần 40MHz – 100GHz trên các loại địa hình khác nhau.

Mô hình này có sẵn như một chương trình máy tính, tính toán mất mát lan truyền 50% trên kích thước lớn và trên các địa hình không đều đặn liên hệ với mất mát lan truyền tự do trong dải tần 20MHz đến 10GHz.

Đối với một đường truyền đã cho, chương trình lấy các tham số lối vào là: tần số, độ dài đường truyền, cực tính, độ cao ăngten, khúc xạ bề mặt, bán kính hiệu dụng của trái đất, các hằng số dẫn điện và điện môi của mặt đất và khí hậu… Chương trình cũng tính đến góc ngẩng của ăngten, tính không đều đặn của địa hình.

Phương pháp Longley-Rice hoạt động trong 2 mode:

- Khi mặt cắt địa hình của đường truyền có sẵn, các thông số đường truyền được rút ra và dự đoán được gọi là dự đoán điểm – điểm.

- Nếu mặt cắt đường truyền không có sẵn phương pháp cung cấp kỹ thuật ước lượng thông số đường truyền và dự đoán mode vùng.

Khi áp dụng vào môi trường thông tin di động ở thành phố đã có thêm các số hạng hiệu chỉnh, xong nói chung mô hình Longley-Rice không cung cấp sự hiệu chỉnh xác định các nhân tử môi trường lân cận bộ thu hay tính đến ảnh hưởng của các tòa nhà, cây cối… Thêm vào đó hiệu ứng đa đường đã không được xem xét đến trong mô hình này.

2.3.2. Mô hình Durkin

Mô hình này được chấp thuận của ủy ban vô tuyến thống nhất của Anh để ước lượng vùng phủ sóng radio di động. Chương trình mô phỏng được chia làm 2 bước:

- Bước 1: Truy cập cơ sở dữ liệu topo địa hình vùng dịch vụ để xây dựng profile mặt đất từ bộ phát đến bộ thu.

- Bước 2: Thuật toán mô phỏng tính mất mát dọc đường truyền. Sau đó vị trí bộ thu được mô phỏng có thể dịch chuyển đến chỗ khác trong vùng dịch vụ để tạo nên các đường mức độ lớn tín hiệu.

Hình 2.8: Mô hình nội suy trên đường thu phát

Ở đây: d1 = RA d2 = RB

…

Hình 2.9: Mặt cắt địa hình thu phát

Dữ liệu địa hình có thể coi như một mảng 2 chiều. Mỗi phần tử trong mảng là tọa độ điểm trên bản đồ, giá trị của nó cho độ cao so với mực nước biển. Từ đây chương trình xây dựng mặt cắt địa hình từ nơi phát tới nơi thu theo phương pháp nội suy. Mỗi giá trị nội suy là trung bình các giá trị của các nội suy theo các đường thẳng đứng, nằm ngang và chéo. Sau đó mất mát đường truyền tính theo mô hình nhiễu xạ lưỡi dao.

Phương pháp Durkin khá tiện lợi vì nó có thể đọc bản đồ số và tính toán được đường truyền xác định và vẽ được các đường đồng mức độ mạnh tín hiệu thu. Nhược điểm của phương pháp này là không dự đoán được hiệu ứng lan truyền do cây cối, tòa nhà và các công trình do người mới xây và cả hiệu ứng đa đường nổi lên trong vùng đô thị.

Mô hình này được dùng rộng rãi trong việc dự đoán tín hiệu ở vùng đô thị. Mô hình đáp ứng trong dải tần 150-1920MHz và cự ly 1 – 100Km. Nó có thể dùng cho chiều cao ăngten trạm cơ sở từ 30-1000m.

Okumura đã phát triển một tập các đường cong cho sự suy giảm trung bình liên hệ với lan truyền tự do (Amu) trong vùng đô thị trên địa hình hầu như bằng phẳng với chiều cao ăngten hiệu dụng của trạm cơ sở (hte) đến 200m và chiều cao ăng ten máy di động (hre) tới 3m. Những đường cong này được triển khai từ việc đo bao quát dùng ăngten tròn ở cả trạm cơ sở và di động và vẽ nó như một hàm của tần số trong dải từ 100MHz đến 1920MHz, cũng như là một hàm của khoảng cách T-R từ 1 km đến 100km. Để xác định mất mát đường truyền trong mô hình này, mất mát lan truyền tự do được xác định trước sau đó giá trị Amu(f,d) (đọc từ tập đường cong) được cộng thêm vào cùng các hiệu chỉnh về loại địa hình.

(2.1)

Trong đó:

LF là mất mát trong lan truyền tự do được tính theo công thức 2.2

(2.2)

là giá trị suy giảm trung bình được đọc từ họ đường cong Okumura là giá trị hiệu chỉnh cho ăngten phát được tính theo công thức 2.3

(2.3) là giá trị hiệu chỉnh cho ăngten thu được tính theo công thức 2.4

(2.4)

là hiệu chỉnh về địa hình bao gồm (chiều cao nhấp nhô của địa hình, độ cao đỉnh cô lập, độ dốc trung bình của địa hình, thông số hỗn hợp giữa đất và biển… Hiệu chỉnh này cũng sẽ được đọc từ tập các họ đường cong có sẵn như các họ đường cong Okumura.

Hình 2.10 : Họ đường cong Okumura [4]

Mô hình Okumura dựa trên các số liệu đo được mà không cho sự giải thích giải tích nào. Trong nhiều trường hợp việc ngoại suy cũng có thể được thực hiện để nhận được giá trị ở ngoài dải đo được. Mô hình này được coi là chính xác và đơn giản nhất trong việc dự đoán mất mát lan truyền trong môi trường đô thị lộn xộn, nó rất thực tế và trở thành tiêu chuẩn cho việc kế hoạch hệ thông ở các hệ thông tin di động ở Nhật.

2.3.4. Mô hình Full 3D

Mô hình này được dùng rộng rãi trong việc dự đoán tín hiệu ở tất cả các địa hình từ vùng đô thị, đến đồng bằng, vùng núi và tại các tòa nhà, tín hiệu được truyền trong tất cả các môi trường. Mô hình đáp ứng trong dải tần số tối thiểu 100MHz và các tần số khác tùy thuộc vào các ứng dụng và cự ly tùy thuộc vào ứng dụng. Nó có thể dùng cho tất cả các loại chiều cao trạm ăngten cơ sở.

Đánh giá tín hiệu được truyền trong mô hình Full 3D từ trạm phát đến các trạm thu. Trong không gian có điện từ trường với hướng và ăngten phát tín hiệu ở khoảng cách r có thể được tính theo công thức 2.5:

(2.5)

là độ lợi của anten phát

là thành phần của điện từ trường với anten phát PT là công suất trung bình của trạm phát

r là khoảng cách từ trạm phát đến trạm thu

2.3.5. Mô hình Hata

Mô hình Hata là một công thức hợp theo các đường cong Okumura có giá trị từ 150-1500MHz ứng dụng trong vùng đô thị. Với công thức tiêu chuẩn cho bởi công thức 2.6

(2.6) Trong đó:

là tần số sóng mang (MHz) từ 150-1500(MHz) là độ cao ăngten phát tính theo m (từ 30-200m) là chiều cao ăngten nhận (từ 1-10m)

d là khoảng cách T-R tính theo Km

là nhân tử hiệu chỉnh chiều cao ăngten thu hiệu dụng là hàm của kích thước vùng che phủ.

Đối với vùng nông thôn thì sự mất mát công suất sẽ được tính theo công thức 2.7

Mặc dù các công thức Hata không có sự hiệu chỉnh đường truyền cụ thể như ở mô hình Okumura, song các biểu thức tính toán có giá trị thực tế cao. Khi d>1km các giá trị dự đoán ở mô hình Hata rất gần mô hình Okumura.

Mô hình này thích hợp với hệ di động tế bào lớn song không thích hợp với hệ thông tin cá nhân (PCS) có tế bào cỡ 1km.

Mô phỏng sự mất mát tín hiệu trong mô hình Hata sử dụng Matlab

Mô phỏng bằng Matlab sự mất mát công suất trên đường truyền ở khu vực nông thôn trong mô hình Hata với trạm phát cao 70m, trạm thu cao 10m và sóng mang 2.4GHz.

Hình 2.11 : Sự mất mát công suất theo khoảng cách trong mô hình Hata

Kết luận : Có 3 cơ chế ảnh hưởng đến việc lan truyền sóng trong thông tin vô tuyến là phản xạ, nhiễu xạ và tán xạ. Có rất nhiều mô hình truyền sóng trong môi trường outdoor như mô hình Durkin, Okumura, Hata, Full 3D… Trong chương tiếp theo tôi sẽ đi vào mô phỏng cụ thể vùng phủ sóng di động ở khu vực thành phố Huế sử dụng phần mềm Wireless Insite.

CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG VÙNG PHỦ SÓNG DI ĐỘNG TẠI THÀNH PHỐ HUẾ

Để đạt được mục tiêu triển khai một mô hình mạng Internet Wifi thực tế tại thành phố Huế, ở chương này chúng tôi sẽ tập trung vào việc mô phỏng vùng