6) Ngày hồn thành nhiệm vụ:
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 nhiên, các nghiên cứu này cũng chỉ ra rằng tín hiệu trong các khu vực nhỏ nhƣ trong tịa nhà cĩ phading Rayleigh phân bố xấp xỉ với phading hàm log. Nĩi cách khác, hàm thống kê tín hiệu trong tịa nhà cĩ thể đƣợc mơ hình nhƣ là sự xếp chồng của quá trình small-scale (Rayleigh) và large-scale (lognormal)- là các mơ hình truyền sĩng ngồi trời cho khu vực thành thị. Mức tín hiệu luơn thay đổi theo chiều cao của anten và chịu ảnh hƣởng của sự phản xạ từ mặt đất.
Các kết quả nghiên cứu đã đƣa ra cơng thức suy hao của tín hiệu:
L = S + 10nlog d (2-14)
Trong đĩ:
S là hằng số, S = 32.0 đối với tần số 900MHz = 38.0 đối với tần số 1800MHz. d là khoảng cách giữa máy phát và máy thu.
n là hệ số lan truyền sĩng.
Các phép đo thực nghiệm đƣợc thực hiện bằng cách sử dụng một máy thu đƣợc đặt cố định và một máy phát cầm tay di chuyển khắp mọi vị trí trong tịa nhà, đã cho thấy giá trị của tham số n trong cơng thức (2-14) sẽ là 4,5; 3,9; 3,0 và 2,5 cho các vị trí tƣơng ứng là bên ngồi tịa nhà, tại tầng 1, tại tầng 2 và tại tầng hầm.
Trong khi đĩ, các nghiên cứu của loại thứ hai lại liên quan đến các đặc tính thống kê của suy hao tín hiệu trong nhà. Một cơng trình đầu tiên đƣợc giới thiệu bởi Rice, đã chỉ ra sự khác nhau giữa tín hiệu trung bình tại tầng khảo sát của tịa nhà với mức tín hiệu trung bình bên ngồi tịa nhà, trên phố nằm kề với tịa nhà. Rõ ràng là cĩ hai khả năng xảy ra, hoặc là ta cĩ thể thực hiện các phép đo trên đƣờng phố nằm xung quanh tịa nhà để tìm đƣợc mức tín hiệu trung bình bên ngồi tịa nhà, nhƣ Rice đã đƣa ra, hoặc là ta cĩ thể lấy kết quả của phép đo tức thời bên ngồi tịa nhà tại vị trí nằm trên đƣờng thẳng nối từ tâm tịa nhà đến vị trí máy phát.
Phƣơng pháp thứ hai sẽ chính xác hơn nếu tồn tại một đƣờng truyền LOS giữa máy phát và tịa nhà. Nhƣng trƣờng hợp này rất ít khả năng vì tín hiệu truyền vào trong tịa nhà qua rất nhiều đƣờng truyền tán xạ, nên phƣơng pháp một mang tính thực tiễn hơn. Phƣơng pháp phân tích số liệu cũng rất khác nhau. Mặc dù trong hầu hết các nghiên cứu, tín hiệu đƣợc lấy mẫu tại theo từng khoảng thời gian và từng vị trí. Nhƣng nhìn chung, các phƣơng pháp khác nhau này khơng làm ảnh hƣởng đến giá trị trung bình phép đo suy hao tín hiệu trong tịa nhà.
Vì những lí do này, đơi khi rất khĩ so sánh kết quả của các cơng trình nghiên cứu. Suy hao phụ thuộc rất nhiều các yếu tố, nhƣng chủ yếu là phụ thuộc vào tần số, điều kiện lan truyền và chiều cao của máy thu trong tịa nhà. Tuy nhiên, một số yếu tố khác cũng cĩ ảnh hƣởng đến suy hao tín hiệu nhƣ hƣớng của tịa nhà so với anten BTS, cấu trúc tịa nhà (vật liệu xây nhà, số lƣợng và kích thƣớc cửa sổ) và cách bố trí vật dụng trong tịa nhà. Trong hầu hết các mơ hình để dự đốn cƣờng độ tín hiệu trong tịa nhà đều sử dụng phƣơng pháp kỹ thuật đƣợc đƣa ra bởi Rice. Cụ thể là trƣớc tiên, dự đốn mức tín hiệu trung bình trên các con phố nằm xung quanh tịa nhà, sau đĩ cộng thêm phần suy hao bởi tịa nhà.
Một nghiên cứu khác của Barry và Williamson – New Zealand tập trung nghiên cứu vào tịa nhà, tại các tầng chính cĩ đƣờng truyền thẳng tới trạm thu phát gốc BTS. Hai ơng đã sử dụng các tiêu chuẩn tƣơng tự nhƣ việc tính tốn trong mơi
trƣờng giao thơng. Phƣơng pháp mơ tả thống kê của Suzuki cho thấy tín hiệu trên bất cứ tầng nhà nào tại tần số 900MHz cĩ độ lệch tiêu chuẩn là 6,7dB. Mơ hình cũng cho rằng suy hao qua cửa sổ cĩ ơ kính nhỏ cĩ giá trị là 10dB.
Các nghiên cứu thực nghiệm tại Anh cho tần số 441, 896.5 và 1400MHz đã cho ra cùng một kết quả về sự thay đổi tín hiệu, tƣơng tự nhƣ những nghiên cứu ở trên. Các nghiên cứu này đƣa ra cách nhìn về bản chất ảnh hƣởng của điều kiện lan truyền đến độ sai lệch tiêu chuẩn.
Bảng 2.2 đƣa ra giá trị suy hao xâm nhập cho 3 tần số tín hiệu khác nhau khi máy thu ở các vị trí khác nhau của một tịa nhà 6 tầng hiện đại. Giá trị suy hao tăng khoảng 1.5dB khi tần số thay đổi từ 441 lên 896.5MHz và khoảng 4.3dB khi tần số tăng lên 1400MHz.
Các phép đo thử khác nhau đƣợc thực hiện trong tịa nhà lớn, cĩ tầng hầm thì giá trị suy hao là 14.2, 13.4 và 12.8 tƣơng ứng với các tần số 900, 1800 và 2300MHz. Đối với các nhà thiết kế hệ thống, sự suy hao tín hiệu tại tầng hầm là rất quan trọng. Bởi vì nếu một hệ thống đƣợc thiết kế mà đạt đƣợc chất lƣợng tốt nhất tại tầng hầm thì chất lƣợng tại các tầng trên của tịa nhà cũng sẽ tốt.
Ngƣời thực hiện cũng phải nhấn mạnh một điều là, tổng suy hao tín hiệu lan truyền từ trạm BTS đến MS đƣợc chia ra làm hai thành phần: một là suy hao tín hiệu từ BTS đến vị trí xung quanh tịa nhà; thứ hai là suy hao của tín hiệu khi xâm nhập vào tịa nhà. Sự phân chia này tạo thuận lợi khi ƣớc lƣợng suy hao của tín hiệu. Theo các kết quả nghiên cứu ở trên, suy hao xâm nhập vào tịa nhà và suy hao trong khơng khí của tín hiệu tăng tỉ lệ thuận với tần số. (Tài liệu tham khảo [4]).
Bảng 2.2 Bảng giá trị suy hao xâm nhập theo số tầng.
Số tầng Suy hao xâm nhập
441.0 MHz 896.5 MHz 1400.0 MHz Tầng trệt 16.37 11.61 7.56 Tầng 1 8.11 8.05 4.85 Tầng 2 12.76 12.50 7.98 Tầng 3 13.76 11.18 9.11 Tầng 4 11.09 8.95 6.04 Tầng 5 5.42 5.98 3.31 Tầng 6 4.20 5.23 5.24
Các điều kiện của mơi trƣờng truyền dẫn cũng cĩ ảnh hƣởng rất lớn đến giá trị sai lệch chuẩn và cũng ảnh hƣởng đến giá trị gốc của hàm phân bố lognormal. Hình 2.5 chỉ ra rằng, khi tín hiệu khơng cĩ đƣờng truyền thẳng LOS, sự thay đổi của tín hiệu theo tỉ lệ lớn (large-scale) sẽ tuân theo sự phân bố lognormal và khi đĩ giá trị sai lệch chuẩn sẽ là 4dB. Trong trƣờng hợp khác, khi tín hiệu tồn tại đƣờng truyền thẳng đến tồn bộ tịa nhà hoặc một phần của tịa nhà, thì sự thay đổi của tín hiệu theo tỉ lệ lớn (large-scale) sẽ xuất phát từ một giá trị nào đĩ của hàm lognormal và giá trị sai lệch chuẩn sẽ cao hơn. Đối với mơi trƣờng truyền dẫn hồn tồn LOS, giá trị sai lệch chuẩn sẽ là 6 – 7dB.
Hình 2.5 Phân bố tích lũy của sự thay đổi tín hiệu tại tần số 900MHz trong tịa nhà khơng cĩ đƣờng truyền LOS. ( ): giá trị đo, (----): giá trị lý thuyết của phân bố
lognormal với độ lệch chuẩn 4dB. (Tài liệu tham khảo [6])
Tĩm lại, giá trị sai lệch chuẩn của tín hiệu cĩ liên quan đến diện tích của sàn, với sàn cĩ diện tích nhỏ thì giá trị sai lệch chuẩn cũng sẽ nhỏ và ngƣợc lại. Suy hao
xâm nhập sẽ giảm khi MS di chuyển lên các tầng cao của tịa nhà, vì sẽ cĩ nhiều đƣờng truyền LOS đến các tầng cao hơn là các vị trí thấp trên các con phố xung quanh tịa nhà.
Hình 2.6 Mối quan hệ giữa suy hao xâm nhập và số tầng tịa nhà. (Tài liệu tham khảo [4])
Tuy nhiên, cũng cĩ những trƣờng hợp cá biệt, đĩ là giá trị suy hao xâm nhập lại tăng lên cùng với số tầng của tịa nhà. Điều này gây ra bởi điều kiện mơi trƣờng lan truyền đặc biệt tồn tại giữa BTS và MS. Hình 2.5 chỉ ra sự thay đổi 2dB trên mỗi tầng.
Tổng kết lại, khi trạm thu phát nằm bên ngồi, tín hiệu bên trong tịa nhà sẽ cĩ những đặc tính sau:
- Sự thay đổi tín hiệu theo tỉ lệ nhỏ (small-scale) tuân theo phân bố Rayleigh. - Sự thay đổi tín hiệu theo tỉ lệ rộng (large-scale) tuân theo phân bố lognormal
với độ lệch chuẩn phụ thuộc vào điều kiện mơi trƣờng lan truyền và diện tích từng tầng.
- Suy hao xâm nhập vào tịa nhà của tín hiệu sẽ giảm khi tần số tăng. - Suy hao xâm nhập vào tịa nhà của tín hiệu sẽ giảm khi số tầng tăng lên.
- Khi khơng cĩ đƣờng truyền thẳng LOS giữa BTS và tịa nhà (cơ chế tán xạ chiếm ƣu thế), sự sai lệch tiêu chuẩn của giá trị trung bình cục bộ xấp xỉ 4dB. Khi cĩ đƣờng truyền thẳng LOS, sự sai lệch tiêu chuẩn là 6 đến 9dB. - Sự thay đổi suy hao xâm nhập của tín hiệu theo độ cao là 2dB/tầng.
Hầu hết các mơ hình lan truyền ngồi trời đƣợc phát triển và tối ƣu cho macrocell, và chúng khơng chính xác khi áp dụng cho microcell. Ngồi ra, việc dự đốn suy hao đƣờng truyền từ một trạm BTS bên ngồi đến một máy thu nằm bên trong tịa nhà sẽ chính xác hơn nếu nĩ đƣợc tính tốn trực tiếp và khơng đơn thuần là sự mở rộng của các mơ hình ngồi trời. Barry và Williamson đã đƣa ra một hệ số kết hợp liên quan đến sự lan truyền của tín hiệu từ ngồi vào trong tịa nhà và hệ số liên quan đến sự lan truyền của tín hiệu bên trong tịa nhà để cho ra đời một mơ hình tồn diện.
Toledo đã thực hiện các phân tích hồi quy nhiều bƣớc với một cơ sở dữ liệu to lớn, và nghiên cứu mối quan hệ của các tham số. Kết quả tốt nhất của ơng là đƣa 3 tham số vào cơng thức tốn hồi quy. Đĩ là khoảng cách d giữa máy phát và thu, diện tích sàn Af, và hệ số SQ thể hiện cho số sàn của tịa nhà cĩ đƣờng truyền thẳng LOS. Mơ hình cho tần số 900 và 1800MHz nhƣ sau:
L = -37,7 + 40logd + 17,6logAf –27,5SQ (2-15) L = -27,9 + 40logd + 23,3logAf – 20,9SQ (2-16)
Sai số giữa cơng thức tốn học trên với giá trị đo thực nghiệm là 2,4 và 2,2dB tƣơng ứng. Sai số này nhỏ hơn một chút so với kết quả nghiên cứu của Barry và Williamson.