6) Ngày hồn thành nhiệm vụ:
2.4 Mơ hình Motley & Keenan:
Các mơ hình trƣớc cĩ thể áp dụng vào hệ thống phủ sĩng indoor nhƣng do đặc trƣng của mơi trƣờng truyền sĩng trong nhà phức tạp, cấu trúc và vật liệu xây dựng đa dạng nên ở đây ngƣời thực hiện đồ án chọn mơ hình truyền sĩng Motley & Keenan vì mơ hình này xây dựng trên cơ sở thực tế đo đạc tại hiện trƣờng của các tịa nhà cao tầng và đƣợc áp dụng rộng rãi khi tính tốn thiết kế hệ thống IBC ở Việt Nam và trên thế giới.
Motley & Keenan cho rằng tổn hao trung bình pl(d) là một hàm của khoảng cách d cĩ thể đƣợc tính từ tổn hao khơng gian tự do plfs(d) và từ số các bức tƣờng I giữa Tx và Rx.
𝑝𝑙𝐾𝑒𝑒𝑛𝑎𝑛 𝑀𝑜𝑡𝑙𝑒𝑦 𝑑 = 𝑝𝑙𝑓𝑠 𝑑 + 𝐿𝑤𝑖
𝐼
𝑖
Trong đĩ Lwi là tổn hao của bức tƣờng thứ i. Cụ thể:
Ld(dB)= 32.5 + 20 * log f + 20 * log d + k * F(k) + p * W(k) + D(d-db) (suy hao ở khơng gian tự do)
trong đĩ:
L : Tổn hao đƣờng truyền (dB). f : tần số (MHz)
k : số tầng mà sĩng trực tiếp truyền qua. F : hệ số tổn hao của tầng (dB).
d: là khoảng cách từ MS đến antenna (km). p: số bức tƣờng mà sĩng trực tiếp truyền qua
W(k): suy hao tƣờng, thơng thƣờng từ 7dB cho tƣờng gạch thơng thƣờng và 10dB đến 20dB cho tƣờng bê-tơng.
D : hệ số tổn hao tuyến tính (dB/m) (note ).
db : điểm ngắt trong nhà (indoor breakpoint) (m) (note).
note : Đối với khoảng cách ở trên điểm ngắt, trung bình cộng thêm vào 0.2dB/m.
Trên thực tế mơ hình truyền sĩng Keenan Motley hay đƣợc sử dụng để dự đốn sơ bộ suy hao truyền sĩng trong nhà bởi lẽ khơng quá phức tạp, mơ hình này cĩ ƣu điểm là tính tốn đơn giản, khơng cĩ nhiều thơng số phải giả định hoặc thực nghiệm. Ngồi ra cũng từ mơ hình truyền sĩng này, cĩ thể nhận thấy suy hao truyền sĩng trong nhà phụ thuộc chủ yếu vào số tầng và số bức tƣờng mà sĩng trực tiếp truyền qua. Kết quả đo đạc thực tế của các mơ hình truyền sĩng khác cũng đã chỉ ra
sự phức tạp của truyền sĩng trong mơi trƣờng trong nhà và khĩ mơ phỏng nĩ một cách chính xác vì kết cấu của các tồ nhà khác nhau, vật liệu sử dụng khác nhau.
(Tài liệu tham khảo [3]).
2.5 Các đặc tính phading, phƣơng pháp kỹ thuật hạn chế phading:
2.5.1 Các tính chất quan trọng của kênh phading.
2.5.1.1 Sự biến động về pha và biên độ.
Khi một tín hiệu thu đƣợc bị ảnh hƣởng của phading trong quá trình truyền, cả pha và biên độ của tín hiệu sẽ bị biến đổi theo thời gian. Đối với các phƣơng pháp điều chế chặt chẽ, ảnh hƣởng của phading đến pha cĩ thể làm giảm hiệu suất nghiêm trọng, trừ khi các biện pháp bù pha đƣợc áp dụng tại đầu thu. Thơng thƣờng, việc sử dụng các bộ phân tích hệ thống trong điều chế cho rằng sự ảnh hƣởng của pha gây ra bởi phading sẽ đƣợc hiệu chỉnh chính xác tại phía thu, đây đƣợc xem nhƣ là phƣơng pháp điều chế chặt chẽ. Đối với các phƣơng pháp điều chế khơng chặt chẽ, thơng tin về pha sẽ khơng đƣợc cần đến ở phía thu. Do đĩ, sự biến động về pha gây ra bởi phading sẽ khơng làm giảm hiệu suất hoạt động.
2.5.1.2 Phading nhanh và chậm.
Sự phân biệt giữa phading nhanh và chậm là rất quan trọng trong các mơ hình tốn học của kênh phading và việc đánh giá hiệu suất của các hệ thống viễn thơng hoạt động trên các kênh này. Khái niệm này liên quan đến thời gian liên kết kênh (coherence time Tc), đƣợc đo bằng khoảng thời gian mà quá trình phading xảy ra. Thời gian liên kết cũng liên quan đến kênh trải phổ Doppler, fd nhƣ sau:
d C
f
T 1 (2-8)
Phading đƣợc gọi là chậm nếu khoảng thời gian ký hiệu nhỏ hơn thời gian liên kết của kênh TC. Ngƣợc lại, nĩ đƣợc gọi là phading nhanh. Trong phading chậm, một giá trị phading xác định cĩ ảnh hƣởng rất nhiều tới các ký hiệu liền nhau. Nĩ là nguyên nhân dẫn tới sự lỗi cụm. Trong phading nhanh, phading gây ra tƣơng quan giữa các ký hiệu. Khi các quyết định tại phía thu đƣợc thực hiện dựa trên sự quan sát tín hiệu thu đƣợc trong khoảng thời gian của 2 hay nhiều ký hiệu thì sự thay đổi
của kênh phading từ khoảng thời gian của một ký hiệu tới ký hiệu tiếp theo phải đƣợc tính đến. Điều này đƣợc thực hiện thơng qua các mơ hình tƣơng quan và phụ thuộc vào mơi trƣờng truyền dẫn cụ thể.
2.5.1.3 Phading phẳng và phading chọn tần.
Chọn tần cũng là một thuộc tính rất quan trọng trong phading. Nếu tất cả các thành phần phổ của tín hiệu phát bị ảnh hƣởng cùng một phƣơng thức thì ta gọi đĩ là phading phẳng. Trong trƣờng hợp này các hệ thống băng hẹp, trong đĩ băng thơng của tín hiệu phát nhỏ hơn nhiều so với băng thơng liên kết của kênh fc. Băng thơng này đƣợc đo bằng độ rộng dải tần số mà quá trình phading diễn ra tƣơng quan. Nĩ cũng đƣợc định nghĩa là băng thơng tần số trong đĩ chức năng tƣơng quan của hai mẫu của hai kênh đáp ứng tại cùng một thời điểm, nhƣng tại các tần số khác nhau. Ngồi ra, băng thơng liên kết cịn liên quan đến trễ trải rộng cực đại, max .
max 1 C f (2-9)
Mặt khác, nếu các thành phần phổ của tín hiệu phát bị ảnh hƣởng bởi hệ số tăng ích biên độ và dịch pha khác nhau, thì phading đĩ đƣợc gọi là phading lựa chọn tần số. Phading này đƣợc áp dụng vào các hệ thống băng thơng rộng trong đĩ băng thơng của tín hiệu phát lớn hơn băng thơng liên kết của kênh.
(Tài liệu tham khảo [6]).
2.5.2 Mơ hình kênh phading phẳng.
Khi phading ảnh hƣởng đến các hệ thống băng thơng hẹp, biên độ của sĩng mang thu đƣợc bị điều chế theo biên độ của phading , trong đĩ là RV cĩ giá trị trung bình bình phƣơng 2 , và hàm mật độ xác suất (PDF) p() phụ thuộc vào tính chất tự nhiên của mơi trƣờng truyền dẫn. Sau khi bị ảnh hƣởng của phading trên đƣờng truyền, tín hiệu bị xáo trộn tại phía thu bởi nhiễu nền Gaussian (AWGN). Nhiễu AWGN đƣợc giả thiết là cĩ tính độc lập thống kê với biên độ phading và nĩ đƣợc mơ tả bằng hàm mật độ phổ cơng suất một phía (W/Hz). Nĩi một cách tƣơng đƣơng, cơng suất tín hiệu thu đƣợc tức thời bị điều chế bởi 2. Do vậy, chúng ta định nghĩa hệ số tức thời của tín hiệu trên tạp âm SNR và ký hiệu là
o S N E /
2
năng lƣợng của một ký hiệu. Ngồi ra, hàm PDF của đƣợc xác định bằng cách thêm vào một tham số biến đổi trong biểu thức của phading PDF p().
Ta cĩ: 2 ) ( ) ( p p (2-10)
Hàm sinh tức thời (MGF) M(s) kết hợp với hàm PDF p() đƣợc viết nhƣ sau: s e d M 3 0 ) ( p ) ( (2-11)
Hàm M(s) là một đặc tính thống kê quan trọng khác của kênh phading. Ngồi ra, số lƣợng phading (hệ số phading) AF liên quan đến hàm PDF nhƣ sau:
2 2 2 2 2 2 2 2 2 ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) var( E E E E E AF (2-12)
Trong đĩ: E[..] là hàm thống kê trung bình, var(..) là tham số.
Phần tiếp theo ngƣời thực hiện sẽ tìm hiểu ảnh hƣởng của các mơi trƣờng lan truyền khác nhau đến kênh phading và các hàm tƣơng ứng nhƣ PDF, MGF và AF, cũng nhƣ mối quan hệ với các kênh vật lý.
2.5.2.1 Phading nhiều tia.
Phading nhiều tia gây ra sự kết hợp tích cực và tiêu cực của tín hiệu thu tổng hợp sau khi trải qua các hiệu ứng phản xạ, khúc xạ, tán xạ và trễ một cách ngẫu nhiên. Loại phading này là phading nhanh, thể hiện cho sự thay đổi của tín hiệu trong khoảng thời gian ngắn. Phading nhiều tia phụ thuộc nhiều vào mơi trƣờng lan truyền tự nhiên, và cĩ rất nhiều mơ hình thống kê miêu tả trạng thái đƣờng biên phading.
Trong đĩ cĩ các mơ hình sau: - Mơ hình Rayleigh.
- Mơ hình Nakagami-q. - Mơ hình Nakagami-n. - Mơ hình Nakagami-m.
2.5.2.2 Hiệu ứng che khuất hàm log.
Trong hệ thống thơng tin di động mặt đất, chất lƣợng đƣờng truyền cũng bị ảnh hƣởng bởi sự thay đổi chậm của mức tín hiệu do hiện tƣợng che khuất đƣờng truyền tín hiệu, gây ra bởi địa hình, tịa nhà, cây cối. Hoạt động của hệ thống thơng tin sẽ chỉ phụ thuộc vào hiệu ứng che khuất nếu phía thu cĩ khả năng lọc đƣợc giá trị trung bình của phading nhanh nhiều tia hoặc nếu phía thu sử dụng hệ thống thu phân tập để hạn chế ảnh hƣởng của hiệu ứng nhiều tia. Dựa trên các phép đo thực tế, các nhà nghiên cứu đã đạt đƣợc một sự thống nhất chung là hiệu ứng che khuất cĩ thể đƣợc mơ hình hĩa bằng hàm phân bố log cho các mơi trƣờng truyền dẫn trong nhà và ngồi trời.
2.5.2.3 Phading nhiều tia, che khuất kết hợp.
Mơi trƣờng phading nhiều tia và che khuất kết hợp bao gồm phading nhiều tia chồng đè lên phading che khuất log. Trong mơi trƣờng này, phía thu sẽ khơng tách đƣợc giá trị trung bình đƣờng biên. Đây là kịch bản của khu vực thành phố đơng đúc, với sự di chuyển chậm của ngƣời và phƣơng tiện. Kiểu phading tổ hợp này cũng đƣợc thấy ở hệ thống thơng tin di động vệ tinh. Cĩ hai cách tiếp cận để tìm ra sự phân bố tổ hợp. Ngƣời thực hiện cĩ thể sử dụng hàm PDF gamma/log-normal do Ho và Stillber tìm ra. Hàm PDF này phát triển từ hàm Nakagami-m trong mơi trƣờng che khuất và đƣợc thêm vào giá trị cơng suất tín hiệu phân bố gamma.
2.5.3 Mơ hình kênh phading chọn tần.
Khi tín hiệu băng thơng rộng lan truyền qua kênh phading chọn tần, phổ của tín hiệu sẽ bị ảnh hƣởng bởi hàm biến đổi kênh gây ra sự phân tán theo thời gian của dạng sĩng. Loại phading này cĩ thể đƣợc mơ hình hĩa bằng bộ lọc tuyến tính, đƣợc miêu tả bởi bộ lọc thơng thấp phức tạp, cĩ đáp ứng xung nhƣ sau:
p l L l l l le t t h 1 ) ( ) ( (2-13) Trong đĩ: (..) là hàm Dirac delta. l là chỉ số kênh.
(l)l=1LLp , (l)l=1LLp, (l)l=1LLp là các hàm biên độ, pha và trễ kênh ngẫu nhiên tƣơng ứng.
Trong cơng thức trên, LP là số lƣợng các đƣờng truyền (đƣờng truyền đầu tiên đƣợc xem nhƣ là đƣờng chuẩn, cĩ thời gian trễ l = 0), và nĩ liên quan đến thời gian trễ cực đại trên thời gian của một ký hiệu. Với giả thiết là mơi trƣờng phading chậm, LP đƣợc coi là hằng số trong một khoảng thời gian xác định, (l)l=1LLp , (l)l=1LLp, (l)l=1LLp cũng là tham số bất biến trong khoảng thời gian của ký hiệu. Nếu các đƣờng truyền khác của đáp ứng xung đƣợc tạo ra bởi tán xạ, chúng sẽ cĩ xu hƣớng thể hiện hạn chế tƣơng quan, và để thích hợp trong trƣờng hợp này, chúng ta phải giả thiết rằng (l)l=1LLp là độc lập thống kê với hàm RV.
Nếu mở rộng khái niệm của phading phẳng, biên độ phading 1 của đƣờng truyền thứ l đƣợc giả thiết là 1 RV, mà giá trị trung bình bình phƣơng của nĩ 2 đƣợc định nghĩa thơng qua l và hàm PDF của nĩ p() cĩ thể là một trong số các hàm PDF đƣợc đề cập ở phần trên. Cũng giống nhƣ trong trƣờng hợp kênh phading phẳng, sau khi đi qua kênh phading, tín hiệu băng thơng rộng bị xáo trộn bởi AWGN với mật độ phổ cơng suất một phía No(W/Hz). Hàm AWGN đƣợc giả thiết là độc lập với biên độ phading (l)l=1LLp. Do vậy tỉ số tức thời SNR với ký hiệu của kênh thứ l đƣợc tính nhƣ sau: l = l2ES /N0 , và tỉ số trung bình SNR với ký hiệu của kênh thứ l đƣợc tính là : .
Tín hiệu trên đƣờng truyền đầu tiên đến phía thu sẽ chịu ảnh hƣởng của phading ít hơn so với các đƣờng truyền khác vì năng lƣợng thành phần sẽ giảm theo độ trễ của tín hiệu. Tín hiệu trên đƣờng truyền cuối cùng bị ảnh hƣởng của phading nhiều nhất. Hàm số (l)l=1LLp liên quan đến trễ cơng suất của kênh PDP. Mơ hình PDP đƣợc mơ tả theo nhiều dạng khác nhau, phụ thuộc vào mơi trƣờng truyền dẫn indoor hay outdoor, và các điều kiện truyền dẫn. Mơ hình PDP indoor lại đƣợc chia thành PDP cho tịa nhà văn phịng, nhà máy cĩ nhiều máy mĩc, …Lấy ví dụ, các phép đo thực tế đã chỉ ra rằng, kênh thơng tin di động đƣợc miêu tả chính xác nhất thơng qua hàm PDF suy giảm hàm mũ cho mơi trƣờng lan truyền là tịa nhà văn phịng và khu đơ thị đơng đúc. l = 1, 2, …, LP 0 /N ES l l max / 1 l e l
Trong đĩ, 1 là cơng suất phading trung bình tƣơng ứng với đƣờng lan truyền tín hiệu thứ nhất, max là trễ lan truyền cực đại.
2.6 Các mơ hình thực nghiệm.
2.6.1 Truyền sĩng bên ngồi vào trong tịa nhà.
Hình 2.4 : Truyền sĩng vào tịa nhà (Tài liệu tham khảo [4])
Trong những năm gần đây, cơng nghệ thơng tin di động đánh dấu sự phát triển bùng nổ của các thiết bị di động cá nhân cả về số lƣợng lẫn chủng loại. Việc lập kế hoạch mạng viễn thơng là vấn đề cần thiết để theo kịp với sự phát triển này. Trong thơng tin di động, các nhà chuyên mơn lấy yếu tố suy hao đƣờng truyền tín hiệu trong tịa nhà để đánh giá chất lƣợng cho từng mạng di động. Các vấn đề của mơ hình lan truyền tín hiệu trong nhà rất khác nhau và phức tạp. Cụ thể là:
* Đĩ là mơi trƣờng truyền dẫn 3 chiều. Bởi vì với một khoảng cách xác định từ BTS đến MS, chúng ta phải quan tâm đến yếu tố chiều cao, nĩ phụ thuộc vào số tầng của tịa nhà. Trong khu vực thành thị, chúng ta dễ nhận thấy rằng tín hiệu sẽ cĩ đƣờng truyền thẳng LOS từ BTS đến MS khi MS đang ở các tầng cao của tịa nhà, trong khi nếu MS ở các tầng thấp hay trên phố, đƣờng truyền LOS rất khĩ đạt đƣợc.
* Mơi trƣờng truyền dẫn bên trong tịa nhà trong đĩ chứa nhiều vật cản. Những vật cản này đƣợc làm từ nhiều loại vật liệu khác nhau, và cĩ vị trí rất gần với máy di
động. Với mơi trƣờng nhƣ vậy, đặc tính lan truyền của tín hiệu sẽ thay đổi rất nhiều so với mơi trƣờng ngồi trời.
* Chúng ta đã cĩ rất nhiều các cơng trình nghiên cứu về lan truyền tín hiệu từ ngồi vào bên trong tịa nhà, đặc biệt với các dải tần số sử dụng cho mạng di động. Các cơng trình nghiên cứu này đƣợc chia thành 2 loại sau:
- Loại thứ nhất nghiên cứu trong mơi trƣờng cĩ chiều cao trạm BTS từ 3m đến 9m và máy di động chủ yếu di chuyển trong các tịa nhà cao 1 hoặc 2 tầng nằm ở ngoại ơ.
- Loại thứ hai nghiên cứu trong mơi trƣờng cĩ chiều cao trạm BTS tƣơng đƣơng với trong mạng di động cellular và máy di động di chuyển trong các tịa nhà cao tầng.
Các nghiên cứu cho loại thứ nhất xuất phát từ hệ thống điện thoại vơ tuyến cầm tay vì hệ thống này phục vụ cho một số lƣợng lớn các thiết bị cầm tay cơng suất thấp, cĩ bán kính cell nhỏ (< 1km). Trong hệ thống này, việc phủ sĩng cho một tịa nhà cao tầng đƣợc thực hiện thơng qua rất nhiều cell nhỏ nằm trong tịa nhà. Đĩ là lý do tại sao các nghiên cứu lại sử dụng chiều cao của anten thấp, khoảng cách từ BTS đến MS nhỏ hơn 1km, và các phép đo đƣợc tiến hành trong nhà.
Trong mạng thơng tin di động cellular, anten của các trạm thu phát macrocell thƣờng đƣợc đặt trên mái nhà của tịa nhà cao tầng nên thƣờng cĩ chiều cao từ 60 đến 100m so với mặt đất và bán kính cell lớn nhất cĩ thể tới 30km. Do vậy chúng ta khơng thể áp dụng các kết quả nghiên cứu của loại thứ nhất vào hệ thống này. Tuy