Hướng tới dịch vụ truyền thông cá nhân (PCS) hiện đang là mối quan tâm lớn của hệ thống truyền sóng vô tuyến trong tòa nhà. Kênh vô tuyến indoor không giống với kênh vô tuyến di động truyền thống bởi 2 khía cạnh – khoảng cách được bao phủ nhỏ hơn, và môi trường thay đổi nhanh với khoảng cách T-R nhỏ hơn nhiều. Quan sát cho thấy truyền sóng trong tòa nhà bị ảnh hưởng mạnh bởi các đặc tính đặc biệt như thiết kế của tòa nhà, vật liệu xây dựng, và kiểu tòa nhà.
Truyền sóng vô tuyến trong tòa nhà bị chi phối bởi cùng các cơ chế như outdoor: phản xạ, nhiễu xạ, tán xạ. Tuy nhiên, các điều kiện thay đổi nhiều hơn. Ví dụ, các mức tín hiệu thay đổi lớn hay không còn phụ thuộc vào các cánh cửa bên trong tòa nhà đóng hay mở. Nơi đặt các anten cũng tác động lớn tới việc truyền sóng. Các anten được lắp đặt trên bàn giấy trong một phòng được ngăn cách nhận được nhiều loại tín hiệu hơn là được lắp đặt trên trần nhà. Cũng như vậy, khoảng cách truyền sóng nhỏ hơn gây khó khăn hơn cho việc đảm bảo vùng bức xạ rộng cho tất cả các bộ thu và các loại anten.
Tóm lại, các kênh indoor có thể được phân loại thành đường truyền thẳng (LOS) hay bị che khuất (OBS), với sự thay đổi của mức độ tắc nghẽn. Một số mô hình truyền sóng trong nhà sẽ được trình bày dưới đây:
• Mô hình suy hao đường truyền phụ thuộc vào khoảng cách.
• Mô hình suy hao đường truyền với hệ số suy hao theo tầng (FAF). • Mô hình hệ số suy giảm cho tường bê tông và vách ngăn mềm.
Mô hình suy hao đường truyền phụ thuộc vào khoảng cách
Rappaport và các cộng sự của mình đã tiến hành rất nhiều các thí nghiệm trong cá môi trường bên trong tòa nhà khác nhau tại các địa điểm và vị trí khác nhau. Mục đích chính của các thí nghiệm nay là đạt được các tham số duy nhất về suy giảm và dự đoán suy hao của các tòa nhà cao tầng khác nhau.
Mô hình trong tài liệu chỉ ra rằng suy hao đường truyền trung bình tăng theo tỷ lệ mũ với khoảng cách. Tức là, suy hao đường truyền trung bình là một hàm của khoảng cách với số mũ n [10].
( ) ∝ ( ) (1.28) Trong đó là suy hao đường truyền trung bình, n là số mũ suy hao đường truyền trung bình chỉ thị tổn hao đường truyền tăng nhanh theo khoảng cách như thế nào, d0 là khoảng cách tham chiếu, và d là khoảng cách giữa máy phát và máy thu. Khi được vẽ theo thang log – log, quan hệ số mũ - khoảng cách là một đường thẳng. Suy hao đường truyền trung bình tuyệt đối, tính theo dB, được định nghĩa là suy hao đường
truyền từ máy phát tới khoảng cách tham chiếu d0 , cộng với tổn hao tính theo phương trình (1.28) tính theo dB
( )[ ] = ( )[ ] + 10 ( ) (1.29) Trong đó PL(d0) là suy hao đường truyền tham chiếu khi truyền trong không gian tự do từ máy phát tới khoảng cách tham chiếu 1m. PL(d0) được tính như sau:
( ) = 20 [ ] (1.30) là bước sóng (m)
Giả sử rằng độ tăng ích của anten bằng suy hao cáp của hệ thống, điều này dẫn tới tại tần số 914MHz, 1m đường truyền trong không gian tự do có suy hao đường truyền là 31.7 dB.
Mô hình được đề xuất dựa theo kinh nghiệm thực tế có tính toán tới các ảnh hưởng của hiệu ứng che khuất bằng cách đưa vào vào phương trình (1.29) một biến ngẫu nhiên , mô tả đặc tính thống kê của fading chậm trong liên kết indoor và như một biến ngẫu nhiên thỏa mãn phân bố loga chuẩn với độ lệch chuẩn (dB). Khi đó suy hao đường truyền tổng cộng trong tòa nhà tính theo dB như sau:
( )[ ] = ( )[ ] + [ ] (1.31) Đối với mô hình này, số mũnvà độ lệch chuẩn được xác định như các tham số là các hàm của kiểu tòa nhà; cánh, chái tòa nhà; và số tầng giữa máy phát Tx và máy thu Rx. Hồi quy tuyến tính được sử dụng để tính toán giá trị củan và với một sai số bình phương trung bình tối thiểu (MMSE) kiểm chứng cho các số liệu đo được. Các số liệu được nhóm thành kiểu tòa nhà; cánh, chái tòa nhà; số tầng giữa máy phát và máy thu để đưa ra được độ lệch tiêu chuẩn nhỏ hơn. Như có thể thấy về sau, mô hình này chính xác hơn khi dự đoán suy hao đường truyền như một hàm của khoảng cách khi các tham số mô hình n và được xác định như một hàm của vùng ngoại vi nói chung.
Bảng 1.2 tóm lược số mũ, độ lệch chuẩn cho suy hao đường truyền trong các môi trường khác nhau, và số vị trí đo đạc được sử dụng đ tính toán thống kê cho mỗi trường hợp.
Từ bảng 1.2, có thể thấy trong các biến số cho dự đoán suy hao đường truyền thì với n = 3.14 cho độ lệch chuẩn lớn là 16.3 dB. Giá trị lớn lớn này của là quy chuẩn cho số liệu thu thập được từ các kiểu tòa nhà khác nhau, và chỉ ra rằng chỉ có 68% các đo đạc thực tế sẽ có sai lệch ± 16.3 dB so với suy hao đường truyền dự đoán. Các tham số này có thể được sử dụng trong mô hình cho dự đoán đầu tiên về cường độ tín hiệu trung bình khi chỉ biết khoảng cách máy phát máy thu và không có thông tin đặc biệt nào về tòa nhà, nhưng nó sẽ không đầy đủ cho việc thiết kế cụ thể hay dự đoán dung lượng. Nếu máy phát và máy thu trong cùng một tầng, đo đạc suy hao đường truyền ít khắt khe hơn, và độ lệch chuẩn giảm không đáng kể. Ta có n=2.76 và =12.9 ,số liệu được lấy từ 4 tòa nhà.
Bảng 1.2. Số mũ n và độ lệch sử dụng cho mô hình suy hao đường truyền phụ thuộc khoảng cách đo tại tần số sóng mang 914MHz
Tòa nhà n Số vị trí Tất cả các tòa nhà Tất cả các vị trí 3.14 16.3 634 Trong cùng tầng 2.76 12.9 501 Qua 1 tầng 4.19 5.1 73 Qua 2 tầng 5.04 6.5 30 Qua 3 tầng 5.22 6.7 30 Cửa hàng tạp hóa 1.81 5.2 89 Cửa hàng bán lẻ 2.18 8.7 137 Tòa nhà công sở 1 Toàn bộ tòa nhà 3.54 12.8 320 Trong cùng tầng 3.27 11.2 238 Cánh phía tây tầng 5 2.68 8.1 104 Cánh trung tâm tầng 5 4.01 4.3 118 Cánh phía tây tầng 4 3.18 4.4 120 Tòa nhà công sở 2 Toàn bộ tòa nhà 4.33 13.3 100 Trong cùng tầng 3.25 5.2 37
Bảng 1.3. Số mũ và độ lệch chuẩn cho suy hao đường truyền được đo cho các tòa nhà khác nhau Tòa nhà Tần số (MHz) n (dB) Cửa hàng bán lẻ 914 2.2 8.7 Cửa hàng tạp hóa 914 1.8 5.2 Office, tường cứng 1500 3.0 7.0 Office, tường mềm 900 2.4 9.6 Office, tường mềm 1900 2.6 14.1 Nhà máy LOS Dệt/hóa chất 1300 2.0 3.0 Dệt/hóa chất 4000 2.1 7.0 Giấy/ngũ cốc 1300 1.8 6.0 Kỹ nghệ sắt 1300 1.6 5.8 Nhà ở khu vực ngoại ô Indoor street 900 3.0 7.0 Nhà máy OBS Dệt/hóa chất 4000 2.1 9.7 Kỹ nghệ sắt 1300 3.3 6.8
Hình 1.5. Đồ thị suy hao đường truyền là một hàm của khoảng cách tại tòa nhà công sở 1
Hình 1.6. Đồ thị suy hao đường truyền là một hàm của khoảng cách tại tòa nhà công sở 2
Trong môi trường nhiều tầng, phương trình (1.32) được sử dụng để mô tả suy hao trung bình như một hàm của khoảng cách. Phương trình (1.32) đồng nhất với phương trình (1.29) nhưng nhấn mạnh rằng số mũ suy hao đường truyền trung bình là
một hàm của số tầng giữa máy phát và máy thu. Giá trị của n (nhiều tầng) cho trong bảng 1.2 được sử dụng trong phương trình này.
( )[ ] = ( )[ ] + 10 ×n (nhiều tầng)× ( ) (1.32)
Mô hình suy hao đường truyền với hệ số suy hao theo tầng (FAF)
Trong mô hình trên, suy hao đường truyền trong môi trường nhiều tầng được dự đoán bởi số mũ suy hao đường truyền trung bình là một hàm của số tầng giữa máy phát và máy thu. Trong một phương pháp khác, một hệ số suy giảm theo tầng không đổi (tính theo dB), là một hàm của số tầng và kiểu tòa nhà, có thể được thêm vào trong dự đoán suy hao đường truyền trung bình bởi một mô hình suy hao sử dụng số mũ suy hao đường truyền trong cùng tầng [10]. Mô hình được mô phỏng qua phương trình (1.33)
( )[ ] = ( )[ ] + 10 ×n (trong cùng tầng)
× + [ ] (1.33)
Trong đódtính theo m vàPL(d0)[dB]=31.7 tại tần số 914MHz.
Bảng 1.4. Hệ số suy giảm theo tầng trung bình (dB) cho một, hai, ba, và bốn tầng giữa máy phát và máy thu trong hai tòa nhà công sở; cùng với độ lêch tiêu chuẩn (dB) và số vị trí được (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
sử dụng để tính toán thống kê Tòa nhà FAF(dB) ( ) Số vị trí Tòa nhà công sở 1 Qua 1 tầng 12.9 7.0 52 Qua 2 tầng 18.7 2.8 9 Qua 3 tầng 24.4 1.7 9 Qua 4 tầng 17.0 1.5 9
Tòa nhà FAF(dB) ( ) Số vị trí
Tòa nhà công sở 2
Qua 1 tầng 16.2 2.9 21
Qua 2 tầng 27.5 5.4 21
Qua 3 tầng 31.6 7.2 21
Bảng 1.4 đưa ra các hệ số suy giảm theo tầng, độ lệch chuẩn (theo dB) của các lần đo đạc và dự đoán suy hao đường truyền khác nhau, và số vị trí đo riêng rẽ được sử dụng để tính toán thống kê. Giá trị của các hệ số suy giảm theo tầng trong bảng 1.6 là giá trị trung bình (theo dB) của sự khác nhau giữa suy hao đường truyền đo được tại nhiều tầng và suy hao đường truyền trung bình dự đoán bởi dn (theo phương trình 1.29) với n là số mũ trong cùng tầng cho bởi bảng 1.2, d là khoảng cách ngắn nhất được đo trong 3 lần, giữa máy phát và máy thu.
Hệ số suy giảm theo tầng trung bình cho số tầng giống nhau giữa máy phát và máy thu của 2 tòa nhà chênh lệch 3 – 8 dB. Tất cả các tầng trong 2 tòa nhà công sở đều được gia cố bê tông. Tòa nhà thứ nhất được xây dựng khoảng 10 năm trở về trước, và tòa nhà thứ 2 khoảng 20 – 30 năm tuổi. Cần chú ý là trong các tòa nhà này, FAF trung bình không phải là hàm tuyến tính của số tầng giữa máy phát và máy thu. Điều đó có thể là các tầng khác nhau gây ra lượng suy hao đường truyền khác nhau, và có thể có các yếu tố khác như sự phản xạ đa đường từ các tòa nhà xung quanh ảnh hưởng tới suy hao đường truyền. Cần thực hiện nhiều đo đạc trong nhiều tòa nhà cao tầng để xác định hệ số suy giảm theo tầng như một hàm của tần số và vật liệu tòa nhà, với mục đích cuối cùng là, suy hao giữa các tầng khác nhau trong tòa nhà có thể dự đoán được mà không cần đo đạc.
Một ví dụ về việc sử dụng hai mô hình khác nhau để dự đoán suy hao đường truyền trung bình qua 3 tầng của tòa nhà công sở thứ nhất, giả sử số mũ suy hao đường truyền trung bình trong cùng tầng đo được trong tòa nhà là n=3.27, số mũ suy hao đường truyền trung bình cho 3 tầng đo được là n=5.22, và hệ số suy giảm theo tầng trung bình là FAF = 24.4 dB cho 3 tầng giữa máy phát và máy thu. Các hệ số này được cho ở bảng 1.2 và 1.4 của tòa nhà công sở thứ nhất. Từ đó, tại khoảng cách máy phát –
máy thu d = 30.0 m, suy hao đường truyền trung bình dự đoán sử dụng công thức (1.32) là:
(30 )[ ] = (1 )[ ] + 10.0 × 5.22 × (30) = 108.8 (1.34) Hay sử dụng công thức (1.33)
(30 )[ ] = (1 )[ ] + 10.0 × 3.27 × (30) + 24.4 = 104.4 (1.35)
Mô hình hệ số suy giảm cho tường bê tông và vách ngăn mềm
Có thể thấy các mô hình trước xét tới ảnh hưởng của khoảng cách máy phát – máy thu, kiểu tòa nhà, và số tầng giữa máy phát và máy thu, và là bước đầu tiên cho quá trình xem xét các thông tin hiện trường cung cấp cho việc dự đoán truyền dẫn. Mặc dù bảng 1.2 đưa ra giá trị các độ lệch chuẩn có thể bị suy giảm khi tính đến số tầng giữa máy phát và máy thu, nhưng các độ lệch chuẩn ở bảng 1.2 trong cùng tầng trong 2 tòa nhà vẫn lớn vào khoảng 11.2 và 13.3 dB. Điều đó chỉ ra rằng các đặc tính của tòa nhà xung quanh nơi đặt máy phát và máy thu phải được xét tới để có được một mô hình truyền dẫn chính xác hơn.
Bảng 1.5. Báo cáo đo đạc suy hao tín hiệu trung bình thực hiện bởi rất nhiều nhà nghiên về các đường truyền vô tuyến bị che khuất bởi vật liệu xây dựng nói chung
Loại vật liệu Suy hao (dB) Tần số (MHz)
Vật liệu nói chung 26 815
Lát nhôm 20.4 815
Tường bê tông 3.9 1300
Suy hao qua một tầng 20-30 1300
Góc ngoặt hành lang 10-15 1300 Sàn bê tông 10 1300 Gỗ sấy (3/4in) – 1 tấm 1 9600 Gỗ nhúng thiếc (3/4in) – 1 tấm 19 9600 Nhôm (1/8in) – 1 tấm 47 9600
Thông thường hay có các vật cản giữa máy phát và máy thu thậm chí khi các thiết bị được đặt cùng một tầng. Chúng ta xem xét ảnh hưởng tới suy hao đường truyền của các vách ngăn mềm và các bức tường bê tông giữa máy phát và máy thu trong cùng một tầng đo được tại tầng thứ 4 và thứ 5 của cánh phía tây tòa nhà công sở thứ nhất và tầng thứ 2 của tòa nhà công sở thứ hai. Các khu vực được phân ra bởi các vách ngăn mềm và vị trí đo đạc là tại các vách ngăn mềm và các bức tường bê tông ngăn cản giữa máy phát và máy thu. Đối với một mô hình vật lý sẽ được áp dụng phổ biến, chúng ta giả sử suy hao đường truyền tăng theo khoảng cách như trong không gian tự do (n=2), với điều kiện không có vật cản giữa máy phát và máy thu. Sau đó, xét tới các hệ số suy giảm cho mỗi vách ngăn mềm và tường bê tông nằm trên đoan đường giữa máy phát và máy thu. Để đơn giản, bất kỳ cột bê tông nào cản trở toàn bộ hay một phần đường truyền giữa máy phát và máy thu được coi là một tường bê tông. Gọi p là số vách ngăn mềm và q là số bức tường bê tông giữa máy phát và máy thu. Suy hao đường truyền trung bình dự đoán bởi mô hình suy hao đường truyền hệ số suy giảm được xác định như sau [10]:
( )[ ] = 20.0 × + × (vách ngăn mềm)[dB]
+ × (tường bê tông )[dB] (1.36)
Đối với mỗi suy hao đường truyền đo được trong môi trường phân khu mềm, chúng ta tính toán sự khác nhau giữa suy hao đường truyền đo được và suy hao đường truyền có thể xảy ra do truyền sóng trong không gian tự do đối với một máy phát và máy thu tại cùng khoảng cách. Số vách ngăn mềm và số bức tường bê tông (hay cột bê tông) giữa máy phát và máy thu cũng cần được ghi lại. Hồi quy tuyến tính được sử dụng để xác định giá trị hợp lý nhất, với một sai số bình phương trung bình tối thiểu, cho các hệ số suy giảm của mỗi vách ngăn mềm và tường bê tông giữa máy phát và máy thu, giả sử rằng tất cả các vách ngăn mềm gây ra suy hao đường truyền giống nhau, tất cả các bức tường bê tông gây ra suy hao đường truyền giống nhau. Đồng thời cũng xác định độ lệch tiêu chuẩn theo dB của sự sai khác giữa suy hao đường truyền đo được và suy hao đường truyền dự đoán bởi phương trình (1.36).
Với AF (vách ngăn mềm) là hệ số suy giảm của môi trường được phân khu mềm, AF (tường bê tông) là hệ số suy giảm của tường bê tông.
Khi đo đạc tất cả suy hao đường truyền môi trường phân khu mềm, AF là 1.39 dB với mỗi vách ngăn mềm và 2.38 dB với mỗi bức tường bê tông giữa máy phát và máy thu. Khi mỗi phân khu mềm được đo đạc riêng rẽ, hệ số suy giảm là 0.92 – 1.57 dB cho mỗi vách ngăn mềm và 1.99 – 2.45 dB cho mỗi bức tường bê tông.
Trong phương trình (1.36) không sử dụng khoảng cách tham chiếu vì truyền sóng trong không gian tự do được giả thiết đối với tất cả các khoảng cách. Mô hình này tương tự như mô hình do Keenan và Motley đề xuất sẽ được trình bày sau đây.