6) Ngày hồn thành nhiệm vụ:
2.7Mơ hình giải tích truyền sĩng trong nhà (Ray tracing)
Các mơ hình lan truyền thƣờng nhận ra rằng khi khi một vật thể nằm chắn trên đƣờng truyền của tia sĩng, thì tia sĩng cĩ thể phản xạ, tán xạ hoặc trong một số trƣờng hợp bị khúc xạ xung quanh rìa của vật thể. Mơi trƣờng indoor chứa rất nhiều vật thể cĩ cấu trúc phức tạp. Việc xác định đƣờng đi của một tia sĩng là điều khĩ thực hiện đƣợc.
Để xác định đƣờng đi của một tia sĩng lan truyền từ máy phát đến máy thu, chúng ta cĩ một số phƣơng pháp nhƣng hiệu quả nhất là phƣơng pháp ray tracing (tìm vết). Phƣơng pháp này dựa trên cơng nghệ xử lý ảnh. Ray tracing xem tất cả các vật cản nhƣ là vật phản xạ tiềm tàng và tính tốn ảnh hƣởng của chúng dựa trên xử lý ảnh. Đây là cách tiếp cận cĩ tính phân tích kỹ lƣỡng, yêu cầu tính đến tất cả các tia phát sinh do phản xạ hoặc khúc xạ. Do đĩ, với một mơi trƣờng đơn giản, thời gian tính tốn sẽ ít. Với mơi trƣờng phức tạp, cơ sở dữ liệu về mơi trƣờng nhƣ cơng trình, số bức tƣờng, cấu tạo, vật liệu…vơ cùng lớn và thời gian tính tốn lớn, phƣơng pháp tính tốn rất phức tạp. Do đĩ, vị trí giữa máy phát và máy thu đƣợc xác định trong tọa độ khơng gian 3 chiều. Cƣờng độ của tia phản xạ và tia phát đƣợc tính tốn thơng qua kỹ thuật quang hình học. Tia khúc xạ đƣợc xử lý bằng một trong các kỹ thuật tiêu chuẩn, đĩ là UTD. Sự tồn tại hay khơng của một đƣờng truyền LOS sẽ đƣợc xác định sau khi một nguồn tín hiệu giả đƣợc thiết lập. Dữ liệu ảnh sẽ đƣợc tạo ra bằng cách phản xạ nguồn tín hiệu giả lên tất cả bề mặt của vật cản cĩ liên quan.
Để mơ phỏng quá trình này, một chuỗi các bức tƣờng đƣợc tạo ra. Hình 2.10b là biểu đồ một phần của chuỗi bức tƣờng (cĩ cấu trúc hình cây) cho sơ đồ bố trí đơn giản hình 2.10a.
Hình 2.10 Ví dụ đơn giản về mơ hình lan truyền sĩng indoor.
Trong hình 2.10, cĩ bốn vật cản đƣợc bố trí để mơ phỏng. Bức tƣờng 1 là vật phản xạ thứ nhất, và đƣờng đi của lần phản xạ thứ 3 đƣợc xét đến. Những lần phản xạ kế tiếp nhau trên cùng một bức tƣờng là khơng cĩ khả năng xảy ra và chúng khơng đƣợc đƣa vào ví dụ này. Hình 2.10b thể hiện cĩ tất cả 13 khả năng của đƣờng truyền cho bức tƣờng 1 nhƣ là vật phản xạ thứ nhất (phản xạ lần 1 cĩ 1, phản xạ lần 2 cĩ 3, phản xạ lần 3 cĩ 9). Các biểu đồ tƣơng tự cĩ thể đƣợc xác định cho bức tƣờng thứ 2, 3 và 4. Nhƣ vậy sẽ cĩ tổng số 52 khả năng của đƣờng truyền xảy ra, cộng với 1 đƣờng truyền thẳng trực tiếp LOS trong một ví dụ đơn giản và chỉ xét đến lần phản xạ thứ 3.
Hình 2.11 Quá trình xử lý ảnh.
Hình 2.11 minh họa quá trình xử lý ảnh trong mơi trƣờng indoor. I1(w1) là ảnh của lần phản xạ thứ nhất lên bức tƣờng 1. Cĩ hai ảnh của lần phản xạ thứ 2. Đĩ là ảnh của I1(w1) phản xạ lên bức tƣờng thứ 2 và thứ 3, đƣợc ký hiệu là I2(w2) và I2(w3). Các ảnh của những lần phản xạ tiếp theo đƣợc tạo ra một cách tƣơng tự. Một bức tranh hồn thiện sẽ thể hiện các ảnh của lần phản xạ thứ nhất lên bức tƣờng 2 và 3, đồng thời các lần phản xạ tiếp theo. Đến đây cĩ thể tính tốn đƣợc vị trí của các ảnh. Tiếp theo phần mềm sẽ kiểm tra xem liệu các ảnh đĩ cĩ khả năng chứa các đƣờng truyền hay khơng. Phần mềm sẽ bắt đầu tính tốn từ các ảnh của lần phản xạ cao nhất và tính ngƣợc đến máy phát. Các ảnh mà khơng chứa các đƣờng truyền sẽ bị loại bỏ khỏi cơ sở dữ liệu trƣớc khi việc tính tốn lan truyền đƣợc thực hiện.
(a)
(b)
Hình 2.12 (a) Điểm phản xạ P2 khơng tồn tại trên bức tƣờng 2. (b) Điểm phản xạ P1 khơng tồn tại trên bức tƣờng 1.
Để miêu tả chi tiết hơn các điều kiện mà ta đang xét. Hình 2.12a thể hiện trƣờng hợp đơn giản với 2 bức tƣờng. I1(w1) là ảnh lần phản xạ 1 của Tx lên bức tƣờng 1 và I2(w2) là ảnh lần phản xạ 2, nghĩa là ảnh của I1(w1) lên bức tƣờng 2. Chúng ta vẽ một đƣờng thẳng nối giữa I (w2) với máy thu để tạo nên điểm phản xạ thích hợp
trên bức tƣờng 2. Rõ ràng điểm P2 khơng nằm trung với bất cứ một điểm vật lý nào trên bức tƣờng thứ hai, do vậy đƣờng phản xạ kép Tx-w1-w2-Rx khơng tồn tại trong thực tế. Từ hình 2.12a chúng ta thấy điều kiện cho một đƣờng truyền tồn tại là điểm phản xạ P2 phải cĩ vị trí vật lý trên bức tƣờng 2. Đây chỉ là một khả năng khi mà Rx nằm trong miền đƣợc minh hoạ đƣợc xác định bởi I2(w2) và bức tƣờng 2. Nhƣng với điều kiện này, là cần nhƣng chƣa đủ.
Hình 2.12b minh họa điểm Rx nằm trong khu vực mơ phỏng, nên đảm bảo rằng điểm phản xạ nằm trên bức tƣờng thứ 2. Trong trƣờng hợp này, điểm phản xạ nằm trên bức tƣờng 1 lại nằm ngồi vùng vật lý của tƣờng, do vậy một lần nữa đƣờng truyền sẽ khơng tồn tại. Tuy nhiên, ta cũng thấy rõ đƣợc điều kiện cần thiết. Chúng ta sẽ thiết lập điểm phản xạ P2 nằm trong miền vật lý của bức tƣờng 2, cĩ điểm thu Rx nằm trong miền đƣợc mơ phỏng. Điểm phản xạ P1 cần thiết trên bức tƣờng 1 phải tồn tại để cung cấp điểm P2 nằm trong miền mơ phỏng đƣợc xác định bởi I- 1(w1) và bức tƣờng 1. Hình 2.12c minh hoạ trƣờng hợp này.
Điều kiện cần và đủ để tồn tại một đƣờng truyền là điểm P2 phải nằm trên phần của bức tƣờng 2, phần nằm trong miền đƣợc xác định bởi I2(w2) với bức tƣờng 2 và miền đƣợc xác định bởi I1(w1) và bức tƣờng 1. Đây là phần tơ đậm trong hình 2.9c. Nếu khơng cĩ phần bức tƣờng 2 rơi vào trong miền đƣợc xác định bởi I1(w1) và bức tƣờng 1 thì đƣờng truyền sẽ đƣợc xem nhƣ là khơng tồn tại cho bất cứ vị trí nào của Rx trong miền đƣợc mơ phỏng. Nĩi chung, quá trình trên đƣợc áp dụng một cách đệ quy, bắt đầu từ Rx, đƣợc tính tốn ngƣợc lại Tx để xác định xem liệu mỗi điểm phản xạ cần thiết cĩ tồn tại thực tế với bất kỳ đƣờng truyền phản xạ nhiều lần nào khơng.
(c)
(d)
Hình 2.13 (c) Tồn tại cả hai điểm phản xạ, vì vậy đƣờng truyền đƣợc xác định. (d) Máy thu khơng nằm trong miền mơ phỏng.
Một hình ảnh minh họa sâu thêm trong hình 2.13c. Trong trƣờng hợp này, cả hai điểm phản xạ đều tồn tại và đáp ứng các yêu cầu trên. Nhƣng điểm thu Rx lại nằm sai phía của bức tƣờng 2. Đây là một điểm chú ý là các ảnh này là của nguồn phát ảo đƣợc sử dụng để mơ phỏng đƣờng truyền bị phản xạ, nhƣng các khu vực đƣợc xác định mơ phỏng chỉ tồn tại ở phía bên kia so với ảnh (vùng mờ). Tuy nhiên hình 2.12d chỉ miêu tả một đƣờng truyền phản xạ đơn lẻ từ Tx đến Rx thơng qua tƣờng 1. Đối với các vị trí khác nhau của Rx, rất cĩ thể sẽ cĩ các đƣờng phản xạ khác.
Một ví dụ khác, quay trở lại hình 2.11. Trong trƣờng hợp này các bức tƣờng 1 và 2 đáp ứng các điều kiện cần thiết. Bức tƣờng 3 khơng tạo ra đƣờng truyền. Nhƣng vì bức tƣờng 3 lại nằm trong miền xác định của I1(w1), đƣờng thẳng nối I2(w2) và Rx sẽ khơng nằm trong miền xác định của I2(w3).
Để nâng cao hiệu suất tính tốn trong thực tế, các điều kiện cụ thể đƣợc đƣa vào. Ví dụ, sẽ khơng cĩ đƣờng truyền trải qua quá n lần phản xạ hoặc cĩ cƣờng độ nhỏ hơn X dB so với cƣờng độ mạnh nhất.
Tĩm lại, hơn một thập kỷ qua chúng ta cĩ rất nhiều nghiên cứu quan trọng cho việc mơ hình hĩa lan truyền tín hiệu macrocell và picrocell indoor. Độ chính xác phụ thuộc chủ yếu vào tính sẵn sàng của cơ sở dữ liệu cập nhật thƣờng xuyên và kỹ thuật tính tốn. Các thuộc tính điện của vật liệu tự nhiên và nhân tạo đƣợc sử dụng để xây dựng tƣờng, cửa ra vào, cửa sổ… cũng đƣợc xem xét chính xác.
CHƢƠNG 3
CÁC HỆ THỐNG ANTEN
3.1 Giới thiệu tổng quan về anten, hệ thống anten:
Nghiên cứu về các vấn đề liên quan đến anten cĩ phạm vi rất rộng. Trong chƣơng này, ngƣời thực hiện đồ án chỉ muốn đề cập một cách ngắn gọn các vấn đề về hoạt động và các tham số đặc tính của anten.
Trƣớc tiên, anten đƣợc định nghĩa là thiết bị bức xạ và thu nhận năng lƣợng sĩng vơ tuyến. Anten là một thiết bị tƣơng hỗ, nghĩa là anten cĩ thể đƣợc sử dụng đồng thời nhƣ nhau cho cả phía phát và phía thu. Cấu trúc của anten đƣợc thiết kế để sao cho cĩ khả năng chuyển đổi giữa sĩng dẫn và sĩng tự do. Sĩng dẫn bị giam cầm trong mơi trƣờng giới hạn của đƣờng truyền dẫn để truyền tín hiệu từ một điểm này đến một điểm khác. Trong khi đĩ, sĩng tự do đƣợc bức xạ khơng cĩ giới hạn trong khơng gian. Một đƣờng truyền dẫn đƣợc thiết kế để cĩ đƣợc sự suy hao bức xạ là thấp nhất, trong khi anten đƣợc thiết kế sao cho đạt đƣợc độ bức xạ là cực đại. Sự bức xạ xảy ra khi đƣờng truyền dẫn khơng liên tục, khơng cân bằng về dịng điện.
Anten là một thiết bị quan trọng trong bất cứ hệ thống vơ tuyến nào. Sĩng vơ tuyến đƣợc phát vào trong khơng gian tự do thơng qua anten. Tín hiệu đƣợc lan truyền trong khơng gian và một phần nhỏ tín hiệu sẽ đƣợc thu lại bởi anten thu. Tín hiệu sau đĩ sẽ đƣợc khuếch đại, chuyển đổi và xử lý để khơi phục lại thơng tin.
Khơng gian xung quanh một anten đƣợc chia thành 3 miền tùy theo đặc tính của trƣờng bức xạ. Vì trƣờng bức xạ thay đổi giữa các miền liên tục nên việc phân định ranh giới giữa các miền là khĩ khăn.
+ Trƣờng gần phản xạ lại là miền gần anten nhất. Trong trƣờng này, năng lƣợng khơng đƣợc bức xạ mà đƣợc khơi phục và bức xạ ngƣợc liên tục tạo thành dao động. Ngồi ra, thành phần sĩng phản xạ lại lớn hơn thành phần bức xạ. Đối với các phần tử bức xạ bƣớc sĩng ngắn, thành phần phản xạ lại và bức xạ sẽ cân bằng nhau tại khoảng cách /2. Khi khoảng cách càng xa, thành phần trƣờng phản xạ lại giảm theo hệ số 1/R2
Trƣờng gần phản xạ lại cĩ bán kính 3m đối với tần số 800MHz và 4,4m đối với tần số 1900MHz.
Hình 3.1 Trƣờng bức xạ xung quanh anten. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
+ Trƣờng gần bức xạ: Trƣờng gần bức xạ cịn đƣợc gọi là miền Fresnel. Trong miền này, mật độ cơng suất khơng tỉ lệ nghịch với khoảng cách mà nĩ tăng khơng đều với khoảng cách, và đạt tới một giá trị cực đại. Sau đĩ mật độ cơng suất sẽ giảm gần nhƣ tuyến tính.
Trƣờng gần bức xạ cĩ bán kính 24m đối với tần số 800MHz và 50m đối với tần số 1900MHz.
+ Trƣờng xa: trong miền này sĩng phẳng cĩ tính chi phối. Trong miền này, trƣờng điện từ trực giao nhau. Miền này đƣợc gọi là miền khơng gian tự do.
Trong thực tế cĩ rất nhiều loại anten, chúng ta cĩ thể phân loại anten theo các tiêu chí sau:
+ Theo hình dạng hình học của anten: - Anten dây: dipole, loop, helix. - Anten ống: horn, slot.
- Anten in : patch, printed dipole, sprial. + Theo độ tăng ích của anten:
- Độ tăng ích cao: dish
- Độ tăng ích trung bình: horn
- Độ tăng ích thấp: dipole, loop, slot, patch. + Theo hình dạng của búp sĩng:
- Omnidirectional: dipole - Pencil beam: dish - Fan beam: array. + Theo băng thơng:
- Băng rộng: log, spiral, helix - Băng hẹp: patch, slot.
Mạch giao tiếp với anten là khơng gian tự do, nên nếu nhìn từ phía mạch điện, anten đơn thuần là thiết bị cĩ một cổng cĩ trở kháng sĩng. Trong phần tiếp theo, chúng ta sẽ nghiên cứu các thuộc tính quan trọng của anten.
3.2 Các thuộc tính quan trọng của anten.
Đối với kỹ sƣ vơ tuyến, kỹ sƣ thiết kế hệ thống, nhà khai thác mạng yêu cầu nắm vững nguyên lý hoạt động của anten, đặc tính lan truyền sĩng vơ tuyến. Các thuộc tính quan trọng của anten bao gồm:
Hệ số tăng ích của anten.
Hệ số định hƣớng.
Cơng suất bức xạ hiệu dụng.
Hình dạng búp sĩng.
Độ rộng búp sĩng nửa cơng suất.
Băng thơng.
Phân cực.
Trở kháng và hệ số sĩng đứng.
3.2.1 Hệ số tăng ích và hệ số định hƣớng của anten.
Cĩ ý kiến cho rằng anten là thiết bị thụ động vì nĩ khơng sử dụng nguồn nuơi, khơng khuếch đại năng lƣợng RF, cũng nhƣ nĩ khơng xử lý tín hiệu vơ tuyến. Anten khơng bức xạ năng lƣợng lớn hơn những gì nĩ nhận đƣợc từ đầu vào.
Nhƣng cĩ ý kiến cho rằng anten là thiết bị tích cực, ví nĩ cĩ độ tăng ích. Với hệ số tăng ích của anten là gì? Để định nghĩa hệ số tăng ích của anten, cần sử dụng đến một khái niệm anten bức xạ đẳng hƣớng (isotropic).
Hình 3.2 Độ tăng ích của anten.
Anten isotropic (anten chuẩn) là một anten mang tính lý thuyết, cĩ năng lƣợng bức xạ đều nhau theo mọi hƣớng.
Hệ số định hƣớng của anten ở một hƣớng đã cho là tỷ số của mật độ cơng suất bức xạ bởi anten ở điểm nào đĩ nằm trên hƣớng ấy, trên mật độ cơng suất bức xạ bởi anten chuẩn cũng tại hƣớng và khoảng cách nhƣ trên, khi cơng suất bức xạ của hai anten giống nhau.
0 ) , ( ) , ( S S D (3-1) Trong đĩ, S(,) là mật độ cơng suất bức xạ của anten ở hƣớng (,) đã cho tại khoảng cách R.
S0 là mật độ cơng suất của anten chuẩn cũng tại hƣớng và khoảng cách nhƣ trên , với giả thiết anten bức xạ đồng đều theo các hƣớng. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Nhƣ vậy, hệ số định hƣớng đƣợc tính bằng tỷ số vectơ Poynting ở hƣớng đã cho và giá trị trung bình của vectơ Poynting trên mặt cầu bao bọc của anten.
S(,) cĩ thể đƣợc xác định theo cơng thức: W E S 2 ) , ( ) , ( 2 (3-2)
S0 cĩ thể đƣợc xác định bằng tỷ số của cơng suất bức xạ P trên diện tích mặt cầu bán kính R bao quanh anten.
2 0 4 R P S (3-3)
Thay các giá trị của S(,) và S0 vào (3-1) ta cĩ:
WP R E D 2 2 2 ) , ( ) , ( (3-4)
Biên độ cƣờng độ trƣờng bức xạ tại một hƣớng bất kỳ E(,) cĩ quan hệ với hàm phƣơng hƣớng chuẩn hĩa và giá trị cƣờng độ trƣờng ở hƣớng bức xạ cực đại bởi: ) , ( ) , ( Emax Fm E (3-5) Do đĩ, theo (3-4) và (3-5) sẽ cĩ: ) , ( ) , ( DmaxFm2 D (3-6) Dmax là hệ số định hƣớng ở hƣớng bức xạ cực đại.
Hệ số tăng ích của anten cũng đƣợc xác định bằng cách so sánh mật độ cơng suất bức xạ của anten thực ở hƣớng khảo sát và mật độ cơng suất bức xạ của anten chuẩn ở cùng hƣớng và khoảng cách nhƣ trên với giả thiết cơng suất đặt vào hai anten bằng nhau và anten chuẩn cĩ hiệu suất bằng 1.
Hiệu suất của anten cũng là một trong các thơng số quan trọng đặc trƣng cho mức độ tổn hao cơng suất của anten. Nĩ đƣợc xác định bởi tỷ số của cơng suất bức xạ trên cơng suất đặt vào anten.
0 P P A (3-7)
Đối với anten cĩ tổn hao thì P < P0 => A < 1, cịn anten lý tƣởng (khơng cĩ tổn hao) thì A = 1.
Trƣờng hợp hai anten cĩ cơng suất đặt vào nhƣ nhau, bằng P0, thì anten thực (hiệu suất A <1) sẽ cĩ cơng suất bức xạ AP0 . Nhƣ vậy so với khi cơng suất bức xạ bằng nhau thì trong trƣờng hợp này tỷ số mật độ cơng suất sẽ giảm đi, với hệ số giảm bằng A .
) , ( ) ,