Suy hao đường truyền (path loss) là sự suy giảm công suất tín hiệu trên đường truyền vô tuyến, suy hao đường truyền được tính thông qua các mô hình tính
toán suy hao. Yếu tố lớn nhất ảnh hưởng tới suy hao đường truyền là tần số hoạt động của mạng. Với mỗi dải tần khác nhau ảnh hưởng của suy hao đường truyền là khác nhau, tần số càng lớn thì suy hao càng lớn và càng khó truyền trong môi trường NLOS. Hình 2.6 thể hiện thấy mối quan hệ giữa bán kính cell với suy hao đường truyền, được xem xét ở một số dải tần có thể được sử dụng cho WiMAX trong đó có WiMAX cố đinh & di trú (băng 3,5 GHz).
Hình 2.6 Bán kính cell với suy hao đường truyền
Để tính suy hao đường truyền cần phải sử dụng một mô hình tính toán suy hao phù hợp. Các mô hình tính toán suy hao thường dùng là mô hình không gian tự do, mô hình Hata, mô hình Okumura, mô hình COST 231 Hata, mô hình COST 231 Walfisch-Ikegami, mô hình ITU, mô hình Young, mô hình Erceg-Greensteis, mô hình SUI và nhiều mô hình khác. Mô hình tính toán suy hao dùng để dự đoán mức suy hao theo khoảng cách với một số điều kiện nhất định. Điều này có nghĩa là việc lựa chọn mô hình tính toán suy hao phải dựa vào các điều kiện thiết kế mạng như
địa hình, kiến trúc hạ tầng, băng tần sử dụng, loại vùng (đô thị, ngoại ô, nông thôn). Với mạng WiMAX cố đinh và di trú sử dụng băng tần 3.5 GHz, môi trường truyền dẫn NLOS và điều kiện truyền đa đường được WiMAX ForumTM khuyến nghị sử dụng mô hình COST 231 Suburban (vùng ngoại ô) hoặc mô hình SUI . Mô hình SUI được sử dụng cho băng tần 3.5 GHz, mô hình này được dùng để tính toán cho WiMAX cố đinh và di trú.
Mô hình COST 231 là mô hình tính toán suy hao được sử dụng phổ biến cho mạng di động với dải tần từ 1.5 GHz tới 2 GHz tuy nhiên vẫn hoàn toàn có khả năng dự đoán suy hao ở băng tần 3.5 GHz. Hai mô hình COST 231 thường dùng là COST 231 Hata và COST 231 Walfish-Ikegami.
Mô hình SUI là mô hình tính toán suy hao thường được sử dụng cho băng tần 2.5 GHz và 3.5 GHz.
► Mô hình COST 231 Hata
Mô hình COST 231 Hata là mô hình tính toán suy hao được sử dụng phổ biến trong các mạng di động. Mô hình này thích hợp khi sử dụng tính toán suy hao trong thành phố lớn hoặc trung bình với anten trạm gốc đặt cao.
Công thức tính suy hao của mô hình COST 231 Hata
Lp = 46,3 + 33,9logf −13,82loghb− a(hm) + (44,9 − 6,55loghb)logd + Cm (2.13) Trong đó
Lp là giá trị suy hao, tính theo dB
f là tần số sử dụng, tính theo MHz
hb là chiều cao hiệu dụng của anten trạm gốc, tính theo m
hmlà chiều cao anten trạm di động, tính theo m
d là khoảng cách từ trạm di động đến trạm gốc, tính theo km
a(hm) là hệ số hiệu chỉnh anten MS, tính theo dB
a(hm) = (1,1.log f − 0,7).hm− (1,56.log f − 0,8) (2.14)
Cm là hệ số điều chỉnh loại vùng
Cm= 0 dB với thành phố cỡ trung bình hoặc trung tâm ngoại ô
Các khoảng giá trị được sử dụng cho mô hình COST 231 Hata
+ Dải tần 1500 ~ 2000 MHz, tuy nhiên có thể sử dụng cho băng tần 2500 MHz + Độ cao anten trạm gốc 30 m < hb < 100 m
+ Độ cao anten trạm di động 1 m < hm < 10 m
+ Khoảng cách truyền sóng cho phép 100 m < d < 20 km.
Hình 2.7 Đồ thị suy hao sử dụng mô hình COST 231 Hata
Hình 2.7 là kết quả mô phỏng tính toán suy hao sử dụng mô hình COST 231 Hata – Suburban với các thông số lựa chọn
+ Tần số hoạt động 2500 MHz
+ Độ cao anten trạm gốc 60 m (đồ thị Lp-1) + Độ cao anten trạm gốc 40 m (đồ thị Lp-2) + Độ cao anten trạm di động 1,5 m
► Mô hình COST 231 Walfish-Ikegami
Mô hình COST 231 Walfish-Ikegami là mô hình tính toán suy hao có xem xét đến ảnh hưởng của các tòa nhà bao gồm độ cao các tào nhà, khoảng cách giữa các toàn nhà và ảnh hưởng độ rộng đường phố tới suy hao đường truyền. Mô hình COST 231 Walfish-Ikegami được chia ra để tính trong hai môi trường truyền sóng LOS (có tồn tại đường truyền trong tầm nhìn thẳng) và NLOS. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Mô hình COST 231 Walfish-Ikegami thích hợp với các thành phố có mật độ các công trình cao tầng lớn, anten trạm gốc có độ cao trung bình.
Mô hình COST 231 Walfish-Ikegami trong môi trường truyền sóng LOS
Điều kiện tồn tại đường truyền thẳng LOS (Line of sight) thường chỉ có ở vùng nông thôn hoặc các khu vực có ít nhà cửa. Trong các thành phố chỉ tại các quảng trường rộng, trên các đường phố lớn và đường truyền không bị chắn bởi một tòa nhà cao tầng mới tồn tại đường truyền LOS.
Trong môi trường truyền sóng LOS mô hình COST 231 Walfish-Ikegami không có các tham số về kiến trúc hạ tầng. Tuy nhiên so với mô hình không gian tự do, mức suy hao theo mô hình COST 231 Walfish-Ikegami trong môi trường truyền sóng LOS lớn hơn 10 dB do đã tính tới các yếu tố ảnh hưởng tới suy hao có liên quan tới kiến trúc đô thị (ảnh hưởng của tán xạ khi không thỏa mãn điều kiện khoảng hở của miền Fresnel thứ nhất).
Công thức tính suy hao (2.5)
Lp = 42,6 + 26logd + 20logf (2.7) Trong đó
Lplà giá trị suy hao, tính theo dB
d là khoảng cách từ trạm phát tới trạm thu, tính theo km
f là tần số hoạt động, tính theo Mhz
Mô hình COST 231 Walfish-Ikegami trong môi trường truyền sóng NLOS
Trong các thành phố môi trường truyền sóng chủ yếu là NLOS. Trong điều kiện truyền dẫn NLOS mô hình COST 231 Walfish-Ikegami có tính đến ảnh hưởng của những tòa nhà dọc theo đường truyền từ trạm phát đến trạm thu, độ rộng đường phố và ảnh hưởng của tán xạ, nhiễu xạ qua vật chắn. Theo mô hình COST 231
Walfish-Ikegami tín hiệu từ trạm phát tới trạm thu thông qua sự phản xạ, khúc xạ, nhiễu xạ qua các vật chắn mà ở đây chủ yếu là các tòa nhà.
Mô hình COST 231 Walfish-Ikegami cho đường truyền NLOS tính toán tổng suy hao bao gồm suy hao trong đường truyền không gian tự do, suy hao tán xạ đa vật chắn, suy hao do nhiễu xạ qua vật chắn (chủ yếu là các mái nhà). Theo mô hình COST 231 Walfish-Ikegami tia sóng từ anten phát tới anten thu phải truyền qua không gian tự do, tán xạ và nhiễu xạ khi qua vật chắn (mái nhà) sau đó tới anten thông qua sự phản xạ từ tòa nhà bên cạnh. Các yếu tố được tính đến trong quá trình truyền dẫn trên bao gồm khoảng cách truyền sóng qua không gian tự do, độ cao vật chắn (độ cao tòa nhà tính đến mái), khoảng cách các tòa nhà và độ rộng đường phố. Hình 2.8 minh họa mô hình COST 231 Walfish-Ikegami trong điều kiện truyền dẫn NLOS.
Hình 2.8 Mô hình COST 231 Walfisch-Ikegami môi trường NLOS
Các tham số được sử dụng trong mô hình này bao gồm: - Tần số công tác f (MHz)
- Chiều cao anten trạm phát hb (m) - Chiều cao anten trạm thu hm (m)
- Khoảng cách giữa trạm phát và trạm thu d (m) - Chiều cao trung bình của các toà nhà hr (m) - Độ rộng đường phố w (m)
- Khoảng cách trung bình giữa các toà nhà b (m) - Góc tới của tia sóng so với chiều di chuyển φ (độ o)
Công thức tính suy hao trong môi trường truyền dẫn NLOS
LP = Lf + Lrts + Lms (2.8)
LP = Lf nếu Lrts + Lms ≤ 0 (2.9) Trong đó
Lp là tổng suy hao, tính theo dB
Lf là suy hao không gian tự do, tính theo dB (Lf : free space loss)
Lrts là suy hao do tán xạ và nhiễu xạ bởi vật chắn, tính theo dB (Lrts: rooftop to street diffraction and scatter-loss)
Lms suy hao tán xạ đa vật chắn, tính theo dB (Lms: multiscreen diffraction loss)
Chú ý công thức 2.9 suy từ công thức 2.8 trong điều kiện Lrts + Lms ≤ 0, khi đó coi như không có suy hao Lrts và Lms. Nếu tính được Lrts + Lms ≤ 0 mà vẫn sử dụng công thức 2.8 khi đó giá trị suy hao Lrts + Lmssẽ trở thành tăng ích, đây là điều phi thực tế. Do đó nếu Lrts + Lms ≤ 0 thì phải sử dụng công thức 2.9
+ Suy hao trong không gian tự do được tính theo công thức (2.10)
Lf = 32,4 + 20.logd + 20.logf (2.10) Trong đó
Lf là giá trị suy hao trong không gian tự do, tính theo dB
d là khoảng cách từ trạm phát đến trạm thu, tính theo km (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
f là tần số hoạt động, tính theo MHz
+ Suy hao do tán xạ và nhiễu xạ bởi vật chắn tính theo công thức (2.11)
Lrts = -16,9 − 10.logW + 10.logf + 20.log(hr − hm)+ L0 (2.11) Trong đó
Lf là giá trị suy hao do tán xạ và nhiễu xạ bởi vật chắn, tính theo dB
W là độ rộng đường phố, tính theo m
hr là chiều cao trung bình của các toà nhà, tính theo m
hm là chiều cao anten trạm thu, tính theo m
L0 là sai số do suy hao tán xạ và nhiễu xạ, tính theo dB L0 = -10 + 0,354. φ với 0 ≤ φ ≤ 35º L0 = 2,5 + 0,075.(φ - 35) với 35º ≤ φ ≤ 55º L0 = 4,0 - 0,114.(φ - 55) với 55º ≤ φ ≤ 90º + Suy hao tán xạ đa vật chắn tính theo công thức (2.12)
Lms = Lbsh + Ka + Kd .logd + Kf.logf– 9.logb (2.12) Trong đó
Lf là giá trị suy hao tán xạ đa vật chắn, tính theo dB
b là khoảng cách giữa các toà nhà dọc theo đường truyền, tính theo m hb là chiều cao trạm phát
hr là chiều cao tòa nhà
d là khoảng cách từ trạm phát đến trạm thu Giá trị Lbsh tính trong các trường hợp
Lbsh = -18log(1 + hb – hr) khi hb > hr
Lbsh = 0 khi hb < hr
Giá trị Ka tính trong các trường hợp
Ka = 54 khi hb> hr
Ka = 54 - 0,8hb khi hb ≤ hr và d ≥ 500m Ka = 54 - 1,6(hb – hr).d khi hb ≤ hr và d ≤ 500m
Giá trị Kd tính trong các trường hợp
Kd = 18 khi hb > hr Kd = 18 – 15(hb – hr)/hr khi hb < hr Giá trị Kf tính trong các trường hợp
Kf = -4 + 0,7(f/925 - 1) đối với thành phố trung bình và vùng ngoại ô có mật độ cây trung bình Kf = -4 + 1,5(f/925 - 1) đối với trung tâm thành phố Độ cao tòa nhà tính đến mái nhà
hr = 3(số tầng) + nóc nhà. nóc nhà 3 m cho nóc nhà có mái nóc nhà 0 m cho nóc nhà phẳng
Hình 2.9 Đồ thị suy hao sử dụng mô hình COST 231 Walfish-Ikegami
Với các giá trị tham số cho trước ta có thể tính được giá trị suy hao Lp theo khoảng cách d và vẽ được đồ thị suy hao. Hình 2.9 thể hiện kết quả mô phỏng tính toán suy hao sử dụng mô hình COST 231 Walfish-Ikegami với hai bộ thông số khác nhau. Xét tần số hoạt động 2500 Mhz, khoảng cách 20 m < d < 3 km.
> Bộ thông số thứ nhất (trung tâm thành phố): độ cao anten trạm phát 60 m, độ cao anten trạm thu 1,5 m, số tầng nhà 15, nóc nhà chọn 0 m, khoảng cách giữa các tòa nhà b = 30 m, độ rộng đường phố w = 30 m, φ lấy mặc định. Thể hiện trên đường đồ thị (Lp-1)
> Bộ thông số thứ hai (thành phố trung bình): độ cao anten phát 40 m, độ cao anten trạm thu 1,5 m, số tầng nhà 4, nóc nhà 3 m, khoảng cách giữa các tòa nhà b = 15 m, độ rộng đường phố w = 20 m, φ lấy mặc định. Thể hiện trên đường đồ thị (Lp-2) Các khoảng giá trị được sử dụng cho mô hình COST 231 Walfish-Ikegami + Khoảng cách toà nhà 10 m < b < 50 m
+ Độ rộng đường phố 10m < w < 40 m
+ Khi không xác định φ lấy mặc định φ = 30o hoặc φ = 90o khi đó Lo = 0.5 dB + Độ cao anten trạm gốc 32 m < hb < 50 m
+ Độ cao anten trạm di động 1 m < hm < 3 m
+ Khoảng cách truyền sóng cho phép 20 m < d < 5 km. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
► Mô hình SUI
Mô hình SUI là mô hình suy hao tính toán dựa trên yếu tố địa hình của vùng phủ sóng. Mô hình SUI được áp dụng cho 3 loại địa hình đặt tên là A, B và C. Loại địa hình A là địa hình đồi núi, mật độ cây cối từ vừa đến rậm rạp, tương ứng với mức suy hao cực đại. Loại địa hình C địa hình bằng phẳng với mật độ cây cối thưa, tương ứng với mức suy hao tối thiểu. Loại B được mô tả với đặc điểm địa thế phần lớn phẳng có mật độ cây cối rậm rạp hoặc là địa hình đồi núi với mật độ cây cối thưa.
Phương trình suy hao cơ bản với những hệ số chính theo công thức (2.1) PL = A + 10.γ.log10(d/d0) + Xf + Xh + s (2.1) Trong đó:
+ PL là giá trị suy hao (dB)
+ d là khoảng cách giữa anten trạm gốc và anten của trạm di động (m) + do = 100 m
+ s là hệ số fading chuẩn loga, được dùng để dự trữ fading chậm do các vật cản như cây cối và những vật cản khác gây ra, có giá trị trong khoảng từ 8dB đến 10dB Các tham số A và γ được tính như sau:
A = 20log10(4.л.d0/λ) (2.2) γ = a – b.hb + c/hb (2.3)
+ hb là độ cao của trạm gốc tính từ mặt đất (m)
Các tham số a, b, c lấy các giá trị theo loại địa hình như trong bảng 2.6
Tham số Địa hình loại A Địa hình loại B Địa hình loại C
a 4.6 4.0 3.6
b (m-1) 0.0075 0.0065 0.005
c (m) 12.6 17.7 20
Bảng 2.6 Các tham số địa hình
Các hệ số hiệu chỉnh cho tần số làm việc và chiều cao anten trạm di động
Xf = 6.0 log10(f /2000) (2.4) Xh = -10.8 log10 (hr /2) cho địa hình loại A và B (2.5 a) = -20.0 log10 (hr /2) cho địa hình loại C (2.5 b) Trong đó
+ f là tần số hoạt động (MHz)
Hình 2.10 Đồ thị suy hao mô hình SUI
Hình 2.10 là kết quả mô phỏng suy hao sử dụng mô hình SUI với 3 loại địa hình A, B và C
Các tham số đầu vào + Tần số 3500 MHz
+ Độ cao anten trạm gốc 60 m + Độ cao anten trạm thuê bao 2 m + Hệ số fading chuẩn loga 8 dB
Xem xét điều kiện thành phố Hà Nội là vùng đồng bằng, địa hình bằng phẳng do đó sử dụng mô hình SUI với loại địa hình C. Đồ thị suy hao tương ứng
loại địa hình C được chỉ ra trên Hình 2.10