Đồ án Mô hình phủ sóng và giao thoa

 Trường đại học dân lập phương đông Khoa công nghệ thông tin Chuyên ngành điện tử viễn thông ---------˜&™--------- đồ áN TốT nghiệp Giáo viên hướng dẫn : TS. Lê chí quỳnh Sinh viên thực hiện : phạm trọng đại Mã số sinh viên : 505102009 Lớp : 505102 Hà Nội – 4/2009 Đề tài: Mô hình phủ sóng & giao thoa Đồ án tốt nghiệp Mô hình phủ sóng và giao thoa Phạm Trọng Đại - 505102009 Khoa CNTT - ĐH phương đông 1 MụC lục Trang Mục lục .............................................................................................................. 1 Mục lục hình vẽ.................................................................................................. 5 Lời mở đầu ......................................................................................................... 9 Phần I Cơ sở lý thuyết Chương I Hệ thống Inbuilding. 1.1. Giới thiệu về hệ thống inbuilding. ............................................................. 11 1.1.1. Nguồn tín hiệu................................................................................... 12 1.1.2. Hệ thống phân phối tín hiệu............................................................... 14 1.1.3. Phần tử bức xạ. .................................................................................. 16 1.2. Mô hình truyền sóng và tính toán quỹ đường truyền. ................................ 17 1.2.1. Mô hình truyền sóng. ........................................................................ 18 1.2.2. Tính toán quỹ đường truyền............................................................... 20 Chương II. Anten và các hệ thống anten 2.1. Nguyên lý làm việc của anten. .................................................................. 24 2.2. Các thuộc tính quan trọng của anten. ........................................................ 26 2.2.1. Hệ số tăng ích và hệ số định hướng của anten.................................... 27 2.2.2. Công suất bức xạ hiệu dụng ERP và EIRP......................................... 30 2.2.3. Hình dạng búp sóng........................................................................... 32 Đồ án tốt nghiệp Mô hình phủ sóng và giao thoa Phạm Trọng Đại - 505102009 Khoa CNTT - ĐH phương đông 2 2.2.4. Trở kháng và hệ số sóng đứng. .......................................................... 35 2.2.5. Các tham số khác. ............................................................................. 36 2.3. Kỹ thuật hạn chế phading.......................................................................... 38 2.3.1. Thu phân tập theo không gian............................................................ 38 2.3.2. Phân tập theo cực tính........................................................................ 40 Phần II Các mô hình truyền sóng Chương III Một số mô hình truyền sóng 3.1. Mô hình Okumura. ................................................................................... 43 3.2. Mô hình SAKAGAMIKUBOL.................................................................. 46 3.3. Mô hình Hata............................................................................................ 47 3.4. Mô hình COST231 – Walfish – Ikegami. .................................................. 48 Chương IV Mô hình truyền sóng trong nhà 4.1. Các mô hình thực nghiệm. ........................................................................ 52 4.1.1. Truyền sóng bên ngoài vào bên trong tòa nhà. .................................. 52 4.1.2. Truyền sóng bên trong tòa nhà .......................................................... 60 4.2. Mô hình giải tích truyền sóng trong nhà ( Ray tracing). ............................ 72 Đồ án tốt nghiệp Mô hình phủ sóng và giao thoa Phạm Trọng Đại - 505102009 Khoa CNTT - ĐH phương đông 3 Phần III Chương trình mô phỏng Chương V Tổng quan về visual basic 6.0 5.1. Giới thiệu về Visual Basic 6.0................................................................... 79 5.2. Cài đặt Visual Basic 6.0 ............................................................................ 79 5.3. Làm quen với VB6. ................................................................................... 80 5.3.1. Bắt đầu một dự án mới với VB6......................................................... 80 5.3.2. Tìm hiểu các thành phần của IDE...................................................... 81 5.3.3. Sử dụng thanh công cụtrong IDE của VB........................................... 82 5.3.4. Quản lý ứng dụng với Project Explorer.............................................. 84 5.3.5. Cửa sổForm Layout ........................................................................... 85 5.3.6. Biên dịch đề án thành tập tin thực thi................................................. 85 5.4. Biểu mẫu và một số điều khiển thông dụng............................................... 86 5.4.1. Các khái niệm.................................................................................... 86 Chương VI Chương trình mô phỏng 6.1. Giới thiệu. ................................................................................................. 88 6.2. Chương trình mô phỏng xác định vị trí trạm BTS và khoảng cách từ BTS đến MS. ................................................................................................................. 89 6.2.1. Các bước thực hiện. ........................................................................... 89 6.2.2. Mã nguồn chương trình mô phỏng xác định vị trí trạm BTS và khoảng cách từ BTS đến MS. ................................................................................... 92 6.3. Chương trình mô phỏng xác định giá trị suy hao khoảng cách từ BTS đến MS. ............................................................................................................... 114 Đồ án tốt nghiệp Mô hình phủ sóng và giao thoa Phạm Trọng Đại - 505102009 Khoa CNTT - ĐH phương đông 4 6.3.1. Các bước thực hiện. ......................................................................... 114 6.3.2. Mã nguồn chương trình mô phỏng xác định giá trị suy hao khoảng cách từ BTS đến MS. ................................................................................. 117 6.4. Chương trình mô phỏng, xác định góc ngẩng. ......................................... 135 6.4.1. Các bước thực hiện. ......................................................................... 135 6.4.2. Mã nguồn chương trình mô phỏng và xác định giá trị góc ngẩng..... 136 Kết luận......................................................................................................- 139 - Tài liệu tham khảo.......................................................................................... 141 Đồ án tốt nghiệp Mô hình phủ sóng và giao thoa Phạm Trọng Đại - 505102009 Khoa CNTT - ĐH phương đông 5 Mục lục hình vẽ Trang Hình 1.1. Thành phần của một hệ thống phủ sóng trong nhà. ........................... 11 Hình1.2. Tín hiệu thâm nhập vào tòa nhà từ bên ngoài ..................................... 12 Hình 1.3. Vùng phủ cho trong tòa nhà từ một tế bào macro trong mạng BTS outdoor macro .................................................................................................. 12 Hình 1.4. Outdoor repeater ............................................................................... 13 Hình 1.5. Vùng phủ cho tòa nhà được cung cấp bởi trạm indoor riêng.............. 13 Hình 1.6. Indoor Repeater ................................................................................ 14 Hình 1. 7. Giải pháp hệ thống phân phối cáp đồng trục thụ động...................... 14 Hình 1.8. Sơ đồ một hệ thống anten phân phối chủ động cho khu trường sở. .... 15 Hình 1. 9. Sơ đồ một hệ thống anten phân phối chủ động cho một tòa nhà cao tầng 16 Hình 1.10. Sơ đồ hệ thống lai ghép................................................................... 16 Hình 1.11. Hệ thống phân phối cáp rò .............................................................. 17 Hình 1.12. So sánh suy hao tường theo mô hình Keenan Motley với suy hao không gian tự do và công thức xấp xỉ. .............................................................. 20 Hình 1.13. Sơ đồ một hệ thống phân phối antenna thụ động đơn giản............... 21 Hình 2.1. Trường bức xạ xung quanh anten. ..................................................... 25 Hình 2.2 Độ tăng ích của anten. ....................................................................... 27 Hình 2.3 Công suất bức xạ hiệu dụng của anten. .............................................. 31 Hình 2.4 Độ tăng ích của anten isotropic so với anten dipole........................... 32 Hình 2.6 Hình dạng búp sóng bức xạ trên mặt phẳng ngang. ........................... 34 Hình 2.7 Hình dạng búp sóng bức xạ trên mặt phẳng đứng. ............................. 34 Đồ án tốt nghiệp Mô hình phủ sóng và giao thoa Phạm Trọng Đại - 505102009 Khoa CNTT - ĐH phương đông 6 Hình 2.8 Hình dạng búp sóng bức xạ trong không gian 3 chiều. ...................... 35 Hình 2.9 Sự phân cực....................................................................................... 37 Hình 2.10 Một số cấu hình của anten thu phân tập không gian ........................ 39 Hình 2.11 Tín hiệu thu phân tập theo không gian. ........................................... 40 Hình 2.12 Thu phân tập theo cực tính. ............................................................. 41 Hình 3.1: Nhiễu xạ bờ ...................................................................................... 43 Hình 3.2: Đường cong dự đoán suy hao............................................................ 45 Hình 3.3: Các tham số trong mô hình Walfish- Ikegami. .................................. 51 Hình 4.1. Trạm BTS dùng ở ngoại ô ................................................................. 53 Hình 4.2. Trạm BTS dùng cho nhà cao tầng...................................................... 53 Hình 4.3 Phân bố tích lũy của sự thay đổi tín hiệu tại tần số 900MHz trong tòa nhà không có đường truyền LOS. ..................................................................... 58 Hình 4.4. Mối quan hệ giữa suy hao xâm nhập và số tầng tòa nhà. .................. 59 Hình 4.5. Mô hình phủ sóng trong các tòa nhà cao tầng ................................... 61 Hình 4.6. Sơ đồ mô tả hệ thống phủ sóng trong các tòa nhà cao tầng................ 62 Hình 4.7. Dạng trễ tín hiệu lan truyền trong một tòa nhà 6 tầng........................ 69 Hình 4.8. Phân bố tích lũy của trễ lan truyền trong hai tòa nhà văn phòng........ 69 Hình 4.9. Ví dụ đơn giản về mô hình lan truyền sóng indoor. .......................... 73 Hình 4.10. Quá trình xử lý ảnh ......................................................................... 74 Hình 4.11 (a) Điểm phản xạ P2 không tồn tại trên bức tường 2. (b) Điểm phản xạ P1 không tồn tại trên bức tường 1. .................................................................... 75 Hình 4.11 (c) Tồn tại cả hai điểm phản xạ, vì vậy đường truyền được xác định. (d) Máy thu không nằm trong miền mô phỏng.................................................. 77 Hình 5.1: Cửa sổ khi kích hoạt VB6 ................................................................. 80 Hình 5.3: Cửa sổ IDE của VB6......................................................................... 81 Hình 5.4: Thanh công cụ ở dạng standard......................................................... 82 Đồ án tốt nghiệp Mô hình phủ sóng và giao thoa Phạm Trọng Đại - 505102009 Khoa CNTT - ĐH phương đông 7 Hình 5.6: Thanh công cụ gỡ rối ........................................................................ 83 Hình 5.7: Thanh công cụ Edit........................................................................... 83 Hình 5.8: Thanh công cụ thiết kế biểu mẫu ...................................................... 83 Hình 5.9: Hộp công cụ của VB......................................................................... 84 Hình 6.1. Giao diện chính của chương trình...................................................... 88 Hình 6.2. Xác định tần số làm việc. .................................................................. 89 Hình 6.3. Xác định số tầng của tòa nhà. ........................................................... 90 Hình 6.4. Nhập giá trị suy hao. ......................................................................... 90 Hình 6.4 ( b). Nhập giá trị suy hao phía bên trái. .............................................. 91 Hình 6.4 ( c). Nhập giá trị suy hao bên phải ..................................................... 91 Hình 6.5. Mô phỏng chương trình..................................................................... 92 Hình 6.6. Xác định tần số làm việc. ............................................................... 114 Hình 6.7. Xác định số tầng của tòa nhà. ......................................................... 115 Hình 6.8 (a). Nhập khoảng cách từ BTS đến MS............................................. 115 Hình 6.8 ( b). Nhập khoảng cách từ BTS đến MS phía bên trái. ..................... 116 Hình 6.8 (c). Nhập khoảng cách từ BTS đến MS phía bên phải. ...................... 116 Hình 6.9. Chương trình mô phỏng xác định giá trị suy hao ............................ 117 Hình 6.10 : Xác định tần số làm việc. ............................................................. 135 Hình 6.11. Mô phỏng và xác định giá trị góc ngẩng. ...................................... 136 Đồ án tốt nghiệp Mô hình phủ sóng và giao thoa Phạm Trọng Đại - 505102009 Khoa CNTT - ĐH phương đông 8 Lời cam đoan Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Số liệu và tài liệu nêu trong đồ án tốt nghiệp là trung thực. Các kết quả nghiên cứu do chính tôi thực hiện dưới sự chỉ đạo của cán bộ hướng dẫn. Đồ án tốt nghiệp Mô hình phủ sóng và giao thoa Phạm Trọng Đại - 505102009 Khoa CNTT - ĐH phương đông 9 Lời Mở đầu Để mở rộng thị phần, ngoài việc cạnh tranh về giá cả, dịch vụ giá trị gia tăng, chăm sóc khách hàng... các nhà cung cấp dịch vụ di động cũng không ngừng tập trung phát triển mạng lưới để có vùng phủ rộng, phủ sâu, chất lượng phủ sóng tốt. Tuy nhiên, ngay cả đối với các công ty cung cấp dịch vụ di động đã phủ sóng 64/64 tỉnh thành có một vấn đề cần quan tâm là tại một số thành phố lớn như Hà Nội, TP. Hồ Chí Minh... chất lượng phủ sóng trong các tòa nhà, đặc biệt là các tòa nhà cao tầng của khách sạn, văn phòng... chưa được đảm bảo. Tại các tầng thấp thường có tình trạng sóng yếu, chập chờn, ở các tầng cao thì nhiễu ( nhất là đối với các nhà khai thác chia sẻ chung băng tần GSM) dẫn đến khó thực hiện và rớt cuộc gọi. Một trong các giải pháp nhằm khắc phục hiện tượng trên và đảm bảo chất lượng cho khách hàng được các công ty áp dụng đó là giải pháp phủ sóng trong nhà (inbuilding). Có thể nói hiện nay đối với các tòa nhà lớn như là sân bay, ga điện ngầm, văn phòng cao tầng, siêu thị kinh doanh hàng hóa rộng lớn... thì vấn đề vùng phủ và dung lượng đều rất quan trọng vì chất lượng thoại di động ảnh hưởng trực tiếp đến uy tín của nhà cung cấp dịch vụ. Tuy nhiên, do đặc trưng vùng phủ của những khi vực này rộng hoặc trải dài theo chiều dọc, sóng vô tuyến từ trạm BTS bên ngoài tòa nhà (BTS outdoor macro) bị suy hao nhiều khi xuyên qua các bức tường bê tông dẫn đến cường độ tín hiệu không đạt yêu cầu, nên giải phải phủ sóng trong tòa nhà hiện nay được nhiều nhà cung cấp dịch vụ di động lựa chọn. Mục tiêu của đồ án là nghiên cứu về vần đề ảnh hưởng tới chất lượng phủ sóng trong hệ thống Inbuilding và đưa ra các giải pháp khắc phục. Đồ án tốt nghiệp Mô hình phủ sóng và giao thoa Phạm Trọng Đại - 505102009 Khoa CNTT - ĐH phương đông 10 Nội dung đồ án bao gồm các phần sau: + Phần I: Cơ sở lý thuyết. Chương I: Hệ thống Inbuilding. Chương II: Anten và các hệ thống anten. + Phần II: Các Mô hình truyền sóng Chương III: Mô hình truyền sóng trong nhà. Chương IV: Một số mô hình truyền sóng. + Phần III: Chương trình mô phỏng. Chương V: Tổng quan về visual basic 6.0 Chương VI: Chương trình mô phỏng. Trong quá trình làm đồ án tốt nghiệp, mặc dù em đã cố gắng nhiều nhưng do trình độ có hạn nên không thể tránh khỏi những sai sót, em rất mong nhận được sự phê bình, hướng dẫn và sự giúp đỡ của Thầy cô, bạn bè. Em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ tận tình của TS. Lê Chí Quỳnh cùng các Thầy cô trong khoa Công nghệ Thông tin, chuyên ngành Điện tử Viễn thông đã giúp em hoàn thành đồ án tốt nghiệp. Em xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày 21 tháng 02 năm 2009 Sinh viên Phạm Trọng Đại Phần I: cơ sở lý thuyết Chương I: hệ thống inbuilding Phạm Trọng Đại - 505102009 Khoa CNTT - ĐH phương đông 11 Phần I Cơ sở lý thuyết Chương I Hệ thống Inbuilding. 1.1. Giới thiệu về hệ thống inbuilding. Có thể nói hiện nay đối với các tòa nhà lớn như là sân bay, ga điện ngầm, văn phòng cao tầng, siêu thị kinh doanh hàng hóa rộng lớn... thì vấn đề vùng phủ và dung lượng đều rất quan trọng vì chất lượng thoại di động ảnh hưởng trực tiếp đến uy tín của nhà cung cấp dịch vụ. Tuy nhiên, do đặc trưng vùng phủ của những khi vực này rộng hoặc trải dài theo chiều dọc, sóng vô tuyến từ trạm BTS bên ngoài tòa nhà (BTS outdoor macro) bị suy hao nhiều khi xuyên qua các bức tường bê tông dẫn đến cường độ tín hiệu không đạt yêu cầu, nên giải phải phủ sóng trong tòa nhà hiện nay được nhiều nhà cung cấp dịch vụ di động lựa chọn. Hệ thống inbuilding bao gồm 3 phần chính: nguồn tín hiệu, hệ thống phân phối tín hiệu và phần tử bức xạ. Trong đó hệ thống phân phối tín hiệu là điểm khác biệt điển hình giữa hệ thống inbuilding so với hệ thống mạng BTS outdoor macro thông thường. Nguồn tín hiệu Hệ thống phân phối tín hiệu Phần tử bức xạ Hình 1.1. Thành phần của một hệ thống phủ sóng trong nhà. Bộ lặp hoặc BTS Cáp rò hoặc Anten Hệ thống phân phối thụ động hoặc Hệ thống phân phối tích cực Hoặc Hệ thống phân phối lai ghép Phần I: cơ sở lý thuyết Chương I: hệ thống inbuilding Phạm Trọng Đại - 505102009 Khoa CNTT - ĐH phương đông 12 1.1.1. Nguồn tín hiệu Để phủ sóng cho inbuilding ta có thể dùng: a. Nguồn tín hiệu bằng trạm outdoor Đây là giải pháp đơn giản nhất để cung cấp vùng phủ cho các tòa nhà với tín hiệu từ các trạm macro bên ngoài tòa nhà. Giải pháp này được khuyến nghị nếu lưu lượng trong tòa nhà không cao, hoặc chủ tòa nhà không cho phép lắp đặt thiết bị và đi cáp trong tòa nhà hoặc triển khai giải pháp dành riêng cho nó không kinh tế. Khi đó vùng phủ được cung cấp bằng cách: Tín hiệu sẽ thâm nhập vào tòa nhà từ bên ngoài. Điều này chỉ thực hiện được đối với các tòa nhà có khoảng hở lớn đối với bên ngoài hoặc ít tường, cửa sổ kim loại. Hình1.2. Tín hiệu thâm nhập vào tòa nhà từ bên ngoài Đặt BTS trên các tòa nhà xung quanh và hướng anten tới tòa nhà cần phủ. Khi đó không cần đến hệ thống phân phối tín hiệu nữa và phần tử bức xạ chính là anten của trạm BTS outdoor macro đó. Hình 1.3. Vùng phủ cho trong tòa nhà từ một tế bào macro trong mạng BTS outdoor macro Phần I: cơ sở lý thuyết Chương I: hệ thống inbuilding Phạm Trọng Đại - 505102009 Khoa CNTT - ĐH phương đông 13 ã Ưu điểm của giải pháp này là chi phí thấp, không mất nhiều thời gian trong triển khai, có thể phủ cả ngoài nhà ( outdoor) và trong nhà (indoor). ã Nhược điểm của giải pháp này là vùng phủ hạn chế, tốc độ bít thấp đối với các dịch vụ dữ liệu, dung lượng thấp và chất lượng không thể chấp nhận được ở một số phần trong tòa nhà. Suy hao tăng dần khi tần số càng cao, do vậy khó cung cấp vùng phủ cho tòa nhà mức tín hiệu tốt. Suy hao có thể khắc phục bằng cách tăng công suất từ các trạm ngoài nhà nhưng nhiễu sẽ tăng. việc thiết kế tần số gặp nhiều khó khăn do quỹ tần số hạn hẹp (nhất là đối với các nhà khai thác chia sẻ chung băng tần GSM). Ngoài cách phủ sóng trong nhà bằng trạm outdoor ta có thể sử dụng trạm lặp (Repeater) làm nguồn vô tuyến cung cấp cho hệ thống phân phối. Khi đó vùng phủ của trạm outdoor hiện có được mở rộng. Nhưng giải pháp này ít được sử dụng trong thực tế vì cường độ tín hiệu, chất lượng, sự ổn định, dung lượng phụ thuộc vào trạm BTS bên ngoài và việc thiết kế cho trạm lặp (quỹ đường truyền, mức độ cách ly 2 hướng) mặc dù giá thành thấp, triển khai nhanh, dễ dàng. Vì có nhiều nhược điểm nói trên nên thực tế rất ít nhà cung cấp dịch vụ di động sử dụng giải pháp này, trừ trường hợp bất khả thi. Hình 1.4. Outdoor repeater b. Nguồn tín hiệu bằng trạm indoor dành riêng Hình 1.5. Vùng phủ cho tòa nhà được cung cấp bởi trạm indoor riêng. Phần I: cơ sở lý thuyết Chương I: hệ thống inbuilding Phạm Trọng Đại - 505102009 Khoa CNTT - ĐH phương đông 14 Giải pháp này có thể tăng thêm dung lượng cho những vùng trong nhà yêu cầu lưu lượng cao. Vấn đề chính ở đây là cung cấp dung lượng yêu cầu trong khi vẫn đảm bảo vùng phủ tốt của tòa nhà mà không làm ảnh hưởng tới chất lượng dịch vụ của mạng BTS outdoor macro. Vì vậy giải pháp này được các nhà cung cấp dịch vụ di động trong khu vực sử dụng như SingTel, Digi... ã Ưu điểm của giải pháp này là nguồn tín hiệu từ bên ngoài ổn định, mức tín hiệu tốt, mở rộng dung lượng hệ thống dễ dàng ã Nhược điểm của giải pháp là giá thành cao, yêu cầu phải có cách bố trí tần số/ kênh cụ thể và xây dựng hệ thống truyền dẫn đảm bảo tính mỹ thuật. Hình 1.6. Indoor Repeater 1.1.2. Hệ thống phân phối tín hiệu. Hệ thống phân phối tín hiệu có nhiệm vụ phân phối tín hiệu từ nguồn cung cấp đi đến các anten hoặc phần tử bức xạ khác và được phân loại thành: a. Hệ thống thụ động. Hệ thống thụ động là hệ thống anten được phân phối bằng cáp đồng trục và các phần tử thụ động. Đây là giải pháp phổ biến nhất cho các khu vực phủ sóng inbuilding không quá rộng, có đặc điểm: Hình1. 7. Giải pháp hệ thống phân phối cáp đồng trục thụ động Phần I: cơ sở lý thuyết Chương I: hệ thống inbuilding Phạm Trọng Đại - 505102009 Khoa CNTT - ĐH phương đông 15 ã Trạm gốc được dành riêng cho tòa nhà: Tín hiệu vô tuyến từ trạm gốc được phân phối qua hệ thống đến các anten. Vùng phủ cho tòa nhà được giới hạn đồng thời không làm ảnh hưởng đến chất lượng mạng BTS outdoor macro. Nhưng yêu cầu kỹ sư thiết kế phải tính toán quỹ đường truyền cận thận vì mức công suất ở mỗi anten phụ thuộc và sự tổn hao mà các thiết bị thụ động được sử dụng, đặc biệt là chiều dài cáp. ã Các thiết bị chính gồm: Cáp đồng trục, bộ chia (spliter/tapper), bộ lọc (filter), bộ kết hợp (combiner), anten. b. Hệ thống chủ động Hệ thống chủ là hệ thống anten phân phối sử dụng cáp quang và các thành phần chủ động (bộ khuếch đại công suất). Việc sử dụng cáp quang từ BTS tới khối điều khiển từ xa có thể mở rộng tới từng vị trí anten riêng lẻ bằng cách: Tín hiệu RF từ BTS được chuyển đổi thành tín hiệu quang rồi truyền đến và được biến đổi ngược lại thành tín hiệu RF tại khối điều khiển từ xa trươc khi được phân phối tới một hệ thống cáp đồng nhỏ. Ngoài ra, hệ thống còn sử dụng các thiết bị khác trong việc phân phối tín hiệu: Hub quang chính, cáp quang, Hub mở rộng, khối anten từ xa. Hình 1.8. Sơ đồ một hệ thống anten phân phối chủ động cho khu trường sở. Giải pháp này thường được sử dụng cho những khu vực phủ sóng inbuilding rất rộng, khi mà hệ thống thụ động không đáp ứng được chỉ tiêu kỹ thuật suy hao cho phép. Khi đó một BTS phục vụ được nhiều tòa nhà trong một vùng, thường là các trường sở. Các kết nối khoảng cách xa (hơn 1 km) sử dụng Phần I: cơ sở lý thuyết Chương I: hệ thống inbuilding Phạm Trọng Đại - 505102009 Khoa CNTT - ĐH phương đông 16 cáp quang, sự phân phối giữa một tầng và các phần trong tòa nhà có thể dùng cáp xoắn đôi dây. Nhưng nhược điểm dễ nhận thấy là chi phí cao. Hình1. 9. Sơ đồ một hệ thống anten phân phối chủ động cho một tòa nhà cao tầng c. Hệ thống lai ghép Hình 1.10. Sơ đồ hệ thống lai ghép Hệ thống này là sự kết hợp giữa hệ thống thụ động và chủ động. Giải pháp này dung hòa được cả ưu nhược điểm của hai hệ thống thụ động và chủ động. Vì nó vừa đảm bảo chất lượng tín hiệu cho những khi vực phủ sóng trong mà có quy mô lớn lại vừa tiết kiệm chi phí. 1.1.3. Phần tử bức xạ. Phần tử bức xạ có nhiệm vụ biến đổi năng lượng tín hiệu điện thành sóng điện từ phát ra ngoài không gian và ngược lại. Do hệ thống trong nhà được sử dụng ở những khu vực có vùng phủ sóng đặc biệt cho nên đối với từng công trình cụ thể đòi hỏi phải có phần tử bức xạ thích hợp. Cụ thể: Phần I: cơ sở lý thuyết Chương I: hệ thống inbuilding Phạm Trọng Đại - 505102009 Khoa CNTT - ĐH phương đông 17 a. Anten Sử dụng thích hợp với những vùng phủ có khuynh hướng tròn hoặc hình chữ nhật. Đó là vì anten cho vùng phủ sóng không đồng đều, việc tính quỹ đường truyền phụ thuộc nhiều vào cấu trúc của tòa nhà. Phạm vi phủ sóng của anten ở dải GSM900 là á25 30m m ; GSM1800 là 15 18m má . Có 2 loại anten thường được sử dụng là anten vô hướng (omni) và anten có hướng (yagi). Anten vô hướng có tính thẩm mỹ, nhỏ gọn dễ lắp đặt nên có thể kết hợp hài hòa với môi trường trong tòa nhà, còn anten có hướng có độ tăng ích cao thích hợp khi phủ sóng trong thang máy. b. Cáp rò Đặc điểm của cáp rò (còn gọi là cáp tán xạ) là có cường độ tín hiệu đồng đều theo một trục chính nên thường được dùng cho các vùng phủ phục vụ kéo dài đặc biệt như hành lang dài, xe điện ngầm, đường hầm… Phạm vi phủ sóng của cáp rò chỉ vào khoảng 6m nhưng lại có ưu điểm hơn hẳn với anten là hỗ trợ được dải tần số rộng từ 1 2500 MHz MHzá . Hình 1.11. Hệ thống phân phối cáp rò 1.2. Mô hình truyền sóng và tính toán quỹ đường truyền. Trong hệ thống inbuilding thì tín hiệu sau khi từ nguồn tín hiệu đi qua hệ thống phân phối tín hiệu đến phần tử bức xạ và phát ra không gian sẽ chịu thêm một lượng suy hao phụ thuộc vào số tầng cũng như số bức tường mà sóng trực tiếp truyền qua rồi mới đến thiết bị đầu cuối của thuê bao di động. Để dự đoán Phần I: cơ sở lý thuyết Chương I: hệ thống inbuilding Phạm Trọng Đại - 505102009 Khoa CNTT - ĐH phương đông 18 những suy hao này nhà thiết kế sẽ sử dụng mô hình truyền sóng trong nhà từ đó tính toán ra quỹ đường truyền yêu cầu tương ứng. Thực chất mô hình truyền sóng là công thức tính suy hao sóng vô tuyến khi truyền qua các vật cản và được xây dựng từ rất nhiều quá trình đo đạc thực nghiệm cụ thể, còn quỹ đường truyền sẽ xác định tất cả các tham số suy hao tối đa cho phép tính từ nguồn tín hiệu đến máy di động để từ đó có được cái nhìn tổng quan hơn về hệ thống. 1.2.1. Mô hình truyền sóng. Khác với truyền dẫn hữu tuyến chỉ truyền trên những đôi dây đã được thiết kế định trước, suy hao có thể lường trước và tính toán được thì việc tính toán trong truyền dẫn vô tuyến là rất đa dạng và phức tạp do đặc kiểm kênh truyền mở. Thông tin di động là trong những dịch vụ thông tin đặc biệt, cho phép thuê bao trao đổi thông tin ngay cả khi đang di chuyển nên kênh truyền sóng liên tục thay đổi trong quá trình thuê bao di động. Vì vậy, yêu cầu hàng đầu đối với nhà thiết kế là phải dự đoán tương đối chính xác mức thu năng lượng tại từng vị trí của thuê bao di động. Do môi trường truyền sóng của mạng BTS outdoor macro (không gian tự do) không còn đúng với môi trường truyền sóng của hệ thống trong nhà nên một yêu cầu đặt ra là cần phải có một mô hình truyền sóng trong nhà riêng. Có nhiều mô hình truyền sóng trong nhà được các nhà nghiên cứu đưa ra như mô hình của Bertoni, N.Yarkoni – N.Blaunstein, Rappaport… do đặc trưng của môi trường truyền sóng phức tạp, do cấu trúc và vật liệu xây dựng đa dạng… nhưng vì khuôn khổ bài viết có hạn nên ở đây chỉ giới thiệu mô hình Motley & Keenan vì những ưu điểm của nó. Motley & Keenan cho rằng tổn hao trung bình ( )pl d là một hàm của khoảng cách d có thể được tính từ tổn hao không gian tự do ( )fspl d và từ số các bức tường I giữa Tx và Rx. ( ) ( ) (1) I KeenanMotley fs wi i pl d pl d L= + ồ Phần I: cơ sở lý thuyết Chương I: hệ thống inbuilding Phạm Trọng Đại - 505102009 Khoa CNTT - ĐH phương đông 19 Trong đó wiL là tổn hao của bức tường thứ i. Cụ thể: L(dB)=32.5 + 20*log f + 20*log d + k*F(k) + p*W(k) + D(d – db) (2) (công thức tính cho không gian tự do) Trong đó: L: Tổn hao đường truyền (dB). f: Tần số (MHz). d: Khoảng cách từ máy phát đến máy thu (km). k: Số tầng mà sóng trực tiếp truyền qua. F: Hệ số tổn hao của tầng (dB). p: Số bức tường mà sóng trực tiếp truyền qua. W: Hệ số tổn hao của tường (dB) (note 1). D: Hệ số tổn hao tuyến tính (dB/m) (note 2). db: Điểm ngắt trong nhà (indoor breakpoint) (m) ( note 2). Note 1: Các bức tường mỏng thông thường có tổn hao 7 dB còn các bức tường dày có tổn hao 10 dB. Note 2: Đối với khoảng cách ở điểm ngắt, trung bình cộng thêm vào 0.2 dB/m. điểm ngắt điển hình: 65m. Phần I: cơ sở lý thuyết Chương I: hệ thống inbuilding Phạm Trọng Đại - 505102009 Khoa CNTT - ĐH phương đông 20 Hình 1.12. So sánh suy hao tường theo mô hình Keenan Motley với suy hao không gian tự do và công thức xấp xỉ. Trên thực tế mô hình truyền sóng Keenan Motley hay được sử dụng để dự đoán sơ bộ suy hao truyền sóng trong nhà bởi lẽ không quá phức tạp, mô hình này có ưu điểm là tính toán đơn giản, không có nhiều thông số phải giả định hoặc thực nghiệm. Ngoài ra cũng từ mô hình truyền sóng này, có thể nhận thấy suy hao truyền sóng trong nhà phụ thuộc chủ yếu vào số tầng và số bức tường mà sóng trực tiếp truyền qua. Kết quả đo đạc thực tế của các mô hình truyền sóng khác cũng đã chỉ ra sự phức tạp của truyền sóng trong môi trường trong nhà và khó mô phỏng nó một cách chính xác vì kết cấu của tòa nhà khác nhau, vật liệu khác nhau… 1.2.2. Tính toán quỹ đường truyền. Mục đích chính của việc tính toán quỹ đường truyền (link budget) là xác định tất cả các tham số suy hao tối đa cho phép giữa trạm BTS và máy di động MS để từ đó có được cái nhìn tổng quan về công suất, tăng ích và tổn hao của hệ thống. Đồng thời giúp cho nhà thiết kế dễ dàng dự phòng mức dự trữ hợp lý dành cho khi cần nâng cấp hoặc mở rộng hệ thống. Pout_bts > Ssdes + Lp – Ga + Lf + Lps + Lc (3) Trong đó: Pout_bts: Công suất đầu ra của tại đầu nối anten. Phần I: cơ sở lý thuyết Chương I: hệ thống inbuilding Phạm Trọng Đại - 505102009 Khoa CNTT - ĐH phương đông 21 Lp: Suy hao đường truyền từ anten tới MS tại biên tế bào (mô hình truyền sóng Keenan Motley). Ga: Hệ số tăng ích của anten BTS, hệ số tăng ích của anten MS xem như là 0 dB. Lf: Suy hao fiđơ. Lps: Suy hao ở bộ công suất bộ chia. Lc: Suy hao trong các bộ mở rộng, kết hợp, bộ xong công, bộ phối hợp… SSdes: Cường độ tín hiệu thiết kế. SSdes =EiRP – Lp. EiRP: Công suất bức xạ đẳng hướng tương đương. EiRP = Pout_bts – Lc – Lf + Ga (4) Hình 1.13. Sơ đồ một hệ thống phân phối antenna thụ động đơn giản. Ví dụ: Tính toán EiRP cho một hệ thống phân phối anten thụ động đơn giản. EiRP = 29dBm (Pout_bts) – 18dB (6x bộ chia) – 11 dB (suy hao feeder) + 2dBi(Ant.Gain) = + 2 dBm Tóm lại: EiRP có thể phụ thuộc các yếu tố sau: - Vị trí đặt anten. - Loại anten. Phần I: cơ sở lý thuyết Chương I: hệ thống inbuilding Phạm Trọng Đại - 505102009 Khoa CNTT - ĐH phương đông 22 - Đặc thù của vùng phủ: mở, khép kín, trần cao hay trần thấp. - Loại tường bao: tường dày thì có thể dùng EiRP cao mà không lo tín hiệu thoát ra ngoài quá mạnh. - Số lượng và tính chất tường ngăn quanh anten. Tuy nhiên đối với các tòa nhà cao tầng thường gặp, cấu trúc các tầng thường giống nhau nên để đơn giản hóa thì nên làm EIRP đồng đều trong từng tế bào. Sau khi tính toán EIRP, cần phải tính toán kiểm tra các chỉ tiêu truyền sóng khác, cụ thể: Đ Total loss là tổng tổn hao từ đầu ra máy phát đến anten: Total loss = ( hybrid couple loss + tổn hao bộ chia + suy hao coupler + suy hao cáp). (5) Đ Năng lượng bức xạ đẳng hướng tương đương EIRP: EIRP = (TxBTS + Ant.Gain) – tổng suy hao + Booster (6) Trong đó: - TxBTS là công suất phát của trạm BTS, TxBTS = 47 dBm đối với dải tần 900 MHz và 45 dBm đối với 1800 MHz. - Booster là bộ khuếch đại sử dụng khi tuyến truyền dẫn từ BTS đến anten quá dài không đảm bảo công suất đầu ra tại anten. - Ant.Gain = 5 dB Đ Hiệu quả phủ sóng ở đường xuống: - Mức công suất MS thu được nhở nhất: MS minimun receivable (dB) = EIRP – tổn hao không gian tự do – fading margin – tổn hao thân nhiệt – att.Wall loss. (7) - Mức dự trữ hệ thống đường xuống (dành cho khi nâng cấp, mở rộng hệ thống): Phần I: cơ sở lý thuyết Chương I: hệ thống inbuilding Phạm Trọng Đại - 505102009 Khoa CNTT - ĐH phương đông 23 System margin left over (dB) = tiêu chí vùng phủ + MS minimum receivable level. (8) - Tổn hao đường truyền lớn nhất cho phép: Max allowable part loss (dB) = EIRP – fading margin – suy hao thân nhiệt – tiêu chí vùng phủ. (9) Đ Hiệu quả phủ sóng ở đường lên: - Mức công suất BTS thu được nhỏ nhất: BTS minimum receivable level (dB) = TxMS – tổng suy hao – suy hao không gian tự do – fading margin – suy hao thân nhiệt. (10) - Mức dự trữ hệ thống đường lên (dành cho khi nâng cấp, mở rộng hệ thống): System margin left over (dB) = RxBTS + BTS minimum receivable level. (11) Phần i: cơ sở lý thuyết chương II: anten và các hệ thống anten Phạm Trọng Đại - 505102009 Khoa CNTT - ĐH phương đông 24 Chương II. Anten và các hệ thống anten 2.1. Nguyên lý làm việc của anten. Nghiên cứu về các vấn đề liên quan đến anten có phạm vi rất rộng. Trong chương này, tôi chỉ muốn đề cập một cách ngắn gọn các vấn đề về hoạt động và các tham số đặc tính của anten. Trước tiên, anten được định nghĩa là thiết bị bức xạ và thu nhận năng lượng sóng vô tuyến. Anten là một thiết bị tương hỗ, nghĩa là anten có thể được sử dụng đồng thời như nhau cho cả phía phát và phía thu. Cấu trúc của anten được thiết kế để sao cho có khả năng chuyển đổi giữa sóng dẫn và sóng tự do. Sóng dẫn bị giam cầm trong môi trường giới hạn của đường truyền dẫn để truyền tín hiệu từ một điểm này đến một điểm khác. Trong khi đó, sóng tự do được bức xạ không có giới hạn trong không gian. Một đường truyền dẫn được thiết kế để có được sự suy hao bức xạ là thấp nhất, trong khi anten được thiết kế sao cho đạt được độ bức xạ là cực đại. Sự bức xạ xảy ra khi đường truyền dẫn không liên tục, không cân bằng về dòng điện. Anten là một thiết bị quan trọng trong bất cứ hệ thống vô tuyến nào. Sóng vô tuyến được phát vào trong không gian tự do thông qua anten. Tín hiệu được lan truyền trong không gian và một phần nhỏ tín hiệu sẽ được thu lại bởi anten thu. Tín hiệu sau đó sẽ được khuếch đại, chuyển đổi và xử lý để khôi phục lại thông tin. Không gian xung quanh một anten được chia thành 3 miền tùy theo đặc tính của trường bức xạ. Vì trường bức xạ thay đổi giữa các miền liên tục nên việc phân định ranh giới giữa các miền là khó khăn. Trường gần phản xạ lại là miền gần anten nhất. Trong trường này, năng lượng không được bức xạ mà được khôi phục và bức xạ ngược liên tục tạo thành dao động. Ngoài ra, thành phần sóng phản xạ lại lớn hơn thành phần bức xạ. Đối với các phần tử bức xạ bước sóng ngắn, thành phần phản xạ lại và bức xạ sẽ cân Phần i: cơ sở lý thuyết chương II: anten và các hệ thống anten Phạm Trọng Đại - 505102009 Khoa CNTT - ĐH phương đông 25 bằng nhau tại khoảng cách l/2p. Khi khoảng cách càng xa, thành phần trường phản xạ lại giảm theo hệ số 1/r2 hoặc 1/r3 và trở lên yếu hơn thành phần bức xạ. Trường gần phản xạ lại có bán kính 3m đối với tần số 800MHz và 4,4m đối với tần số 1900MHz. Hình 2.1. Trường bức xạ xung quanh anten. Trường gần bức xạ: Trường gần bức xạ còn được gọi là miền Fresnel. Trong miền này, mật độ công suất không tỉ lệ nghịch với khoảng cách mà nó tăng không đều với khoảng cách, và đạt tới một giá trị cực đại. Sau đó mật độ công suất sẽ giảm gần như tuyến tính. Trường gần bức xạ có bán kính 24m đối với tần số 800MHz và 50m đối với tần số 1900MHz. Trường xa: trong miền này sóng phẳng có tính chi phối. Trong miền này, trường điện từ trực giao nhau. Miền này được gọi là miền không gian tự do. Phần i: cơ sở lý thuyết chương II: anten và các hệ thống anten Phạm Trọng Đại - 505102009 Khoa CNTT - ĐH phương đông 26 Trong thực tế có rất nhiều loại anten, chúng ta có 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 ante: - Độ tăng ích cao: dish - Độ tăng ích trung bình: horn - Độ tăng ích thấp: dipole, loop, slot, patch. + Theo hình dạng của búp sóng: - Omnidirectional: dipole - Pencil beam: dish - Fan beam: array. + Theo băng thông: - Băng rộng: log, spiral, helix - Băng hẹp: patch, slot. Mạch giao tiếp với anten là không gian tự do, nên nếu nhìn từ phía mạch điện, anten đơn thuần là thiết bị có một cổng có trở kháng sóng. Trong phần tiếp theo, chúng ta sẽ nghiên cứu các thuộc tính quan trọng của anten. 2.2. Các thuộc tính quan trọng của anten. Đối với kỹ sư vô tuyến, kỹ sư thiết kế hệ thống, nhà khai thác mạng yêu cầu nắm vững nguyên lý hoạt động của anten, đặc tính lan truyền sóng vô tuyến. Các thuộc tính quan trọng của anten bao gồm: ã Hệ số tăng ích của anten. Phần i: cơ sở lý thuyết chương II: anten và các hệ thống anten Phạm Trọng Đại - 505102009 Khoa CNTT - ĐH phương đông 27 ã Hệ số định hướng. ã Công suất bức xạ hiệu dụng. ã Hình dạng búp sóng. ã Độ rộng búp sóng nửa công suất. ã Băng thông. ã Phân cực. ã Trở kháng và hệ số sóng đứng. 2.2.1. Hệ số tăng ích và hệ số định hướng của anten. Có ý kiến cho rằng anten là thiết bị thụ động vì nó không sử dụng nguồn nuôi, không khuếch đại năng lượng RF, cũng như nó không xử lý tín hiệu vô tuyến. Anten không bức xạ năng lượng lớn hơn những gì nó nhận được từ đầu vào. Nhưng có ý kiến cho rằng anten là thiết bị tích cực, ví nó có độ tăng ích. Vậy hệ số tăng ích của anten là gì? Để định nghĩa hệ số tăng ích của anten, chúng ta cần sử dụng đến một khái niệm anten bức xạ đẳng hướng (isotropic). Hình 2.2 Độ tăng ích của anten. Phần i: cơ sở lý thuyết chương II: anten và các hệ thống anten Phạm Trọng Đại - 505102009 Khoa CNTT - ĐH phương đông 28 Anten isotropic (anten chuẩn) là một anten mang tính lý thuyết, có năng lượng bức xạ đều nhau theo mọi hướng. Hệ số định hướng của anten ở một hướng đã cho là tỷ số của mật độ công suất bức xạ bởi anten ở điểm nào đó nằm trên hướng ấy, trên mật độ công suất bức xạ bởi anten chuẩn cũng tại hướng và khoảng cách như trên, khi công suất bức xạ của hai anten giống nhau. 0 ),( ),( S S D jqjq = (2-1) Trong đó, S(q,j) là mật độ công suất bức xạ của anten ở hướng (q,j) đã cho tại khoảng cách R. S0 là mật độ công suất của anten chuẩn cũng tại hướng và khoảng cách như trên , với giả thiết anten bức xạ đồng đều theo các hướng. Như vậy, hệ số định hướng được tính bằng tỷ số vectơ Poynting ở hướng đã cho và giá trị trung bình của vectơ Poynting trên mặt cầu bao bọc của anten. S(q,j) có thể được xác định theo công thức: W E S 2 ),( ),( 2jq jq = (2-2) S0 có thể được xác định bằng tỷ số của công suất bức xạ Pồ trên diện tích mặt cầu bán kính R bao quanh anten. 20 4 R P S p S= (2-3) Thay các giá trị của S(q,j) và S0 vào (3-1) ta có: S = WP RE D 22 2),( ),( pjq jq (2-4) Biên độ cường độ trường bức xạ tại một hướng bất kỳ E(q,j) có quan hệ với hàm phương hướng chuẩn hóa và giá trị cường độ trường ở hướng bức xạ cực đại bởi: Phần i: cơ sở lý thuyết chương II: anten và các hệ thống anten Phạm Trọng Đại - 505102009 Khoa CNTT - ĐH phương đông 29 ),(),( max jqjq mFEE = (2-5) Do đó, theo (3-4) và (3-5) sẽ có: ),(),( 2max jqjq mFDD = (2-6) Dmax là hệ số định hướng ở hướng bức xạ cực đại. Hệ số tăng ích của anten cũng được xác định bằng cách so sánh mật độ công suất bức xạ của anten thực ở hướng khảo sát và mật độ công suất bức xạ của anten chuẩn ở cùng hướng và khoảng cách như trên với giả thiết công suất đặt vào hai anten bằng nhau và anten chuẩn có hiệu suất bằng 1. Hiệu suất của anten cũng là một trong các thông số quan trọng đặc trưng cho mức độ tổn hao công suất của anten. Nó được xác định bởi tỷ số của công suất bức xạ trên công suất đặt vào anten. 0P P A S=h (2-7) Đối với anten có tổn hao thì Pồ hA < 1, còn anten lý tưởng (không có tổn hao) thì hA = 1. Trường hợp hai anten có công suất đặt vào như nhau, bằng P0, thì anten thực (hiệu suất hA <1) sẽ có công suất bức xạ hAP0 . Như vậy so với khi công suất bức xạ bằng nhau thì trong trường hợp này tỷ số mật độ công suất sẽ giảm đi, với hệ số giảm bằng hA . Ta có biểu thức hệ số tăng ích của anten: ),(),(),( 0 jqh jqh jqe D S S A A == (2-8) Hệ số tăng ích của anten là một thông số biểu thị đầy đủ hơn cho đặc tính bức xạ của anten so với hệ số định hướng vì nó không chỉ biểu thị đơn thuần đặc tính định hướng của anten mà còn biểu thị sự tổn hao trên anten. Phần i: cơ sở lý thuyết chương II: anten và các hệ thống anten Phạm Trọng Đại - 505102009 Khoa CNTT - ĐH phương đông 30 2.2.2. Công suất bức xạ hiệu dụng ERP và EIRP Công suất bức xạ hiệu dụng ERP là công suất bức xạ thực theo một hướng cụ thể. Nó được tính bằng công suất phát thực tế nhân với hệ số tăng ích của anten theo hướng đó. Công suất bức xạ = Công suất đầu vào x hệ số tăng ích. Công suất bức xạ hiệu dụng được thể hiện thông qua sự so sánh với các anten chuẩn. ERP : khi so sánh với anten dipole. Ký hiệu đơn vị đo: dBd EIRP: khi so sánh với anten isotropic. Ký hiệu đơn vị đo: dBi Lấy ví dụ, hai anten A và B có công suất đầu vào đều bằng 100W. Anten A là anten chuẩn (giả thiết là anten isotropic), anten B là anten định hướng. Theo hướng bức xạ cực đại, tín hiệu từ anten B có cường độ mạnh gấp 2,75 lần so với tín hiệu từ anten A tại cùng vị trí đến nguồn tín hiệu. Trong trường hợp này, EIRP của anten B là 275W. Phần i: cơ sở lý thuyết chương II: anten và các hệ thống anten Phạm Trọng Đại - 505102009 Khoa CNTT - ĐH phương đông 31 Hình 2.3 Công suất bức xạ hiệu dụng của anten. Sự chuyển đổi giữa ERP và EIRP. Hệ số tăng ích của anten khi so sánh với anten isotropic được ký hiệu là dBi và khi so sánh với anten dipole được ký hiệu là dBd. Lấy ví dụ, một anten dipole nửa bước sóng có hệ số tăng ích isotropic là 2,15dBi. Điều này có nghĩa là, anten dipole, theo hướng bức xạ cực đại, có độ mạnh gấp 2,15dB so với độ bức xạ của anten isotropic khi có cùng công suất đầu vào. Ta có công thức chuyển đổi theo dB: EIRP = ERP + 2,15dB. (2-9) Phần i: cơ sở lý thuyết chương II: anten và các hệ thống anten Phạm Trọng Đại - 505102009 Khoa CNTT - ĐH phương đông 32 Công thức chuyển đổi số học: EIRP = 1,64ERP. (2-10) Trong công thức (2-9), ta thấy EIRP có giá trị lớn hơn ERP. Điều này có thể được giải thích thông qua trường hợp dưới đây. Nếu bạn có một hệ thống anten cùng với công suất phát xác định, suy hao ghép nối, suy hao trên cáp, hiệu suất và độ tăng ích của anten thì bạn muốn xác định được công suất bức xạ. Giá trị này có thể được xác định theo nhiều cách, phụ thuộc vào loại anten được tham chiếu làm chuẩn. Một trong số đó có thể là anten dipole hoặc anten isotropic. Vì anten dipole có hệ số tăng ích lớn hơn nên phép đo thực tế sẽ có giá trị gần với dBd hơn dBi. Do vậy, giá trị dBd sẽ nhỏ hơn giá trị dBi. Điều này được thể hiện rõ ràng trong công thức trên. Hình 2.4 Độ tăng ích của anten isotropic so với anten dipole. 2.2.3. Hình dạng búp sóng. Hình dạng búp sóng được thể hiện thông qua đồ thị trong tọa độ cực trên một trong hai mặt phẳng sau: - Mặt phẳng ngang (hoặc góc phương vị). - Mặt phẳng đứng (hoặc góc ngẩng). Phần i: cơ sở lý thuyết chương II: anten và các hệ thống anten Phạm Trọng Đại - 505102009 Khoa CNTT - ĐH phương đông 33 Chú ý: mặt phẳng X-Y nằm song song với bề mặt trái đất. Hình 2.5 Tọa độ cực. Ngoài ra, chúng ta còn có khái niệm về mặt phẳng E và H. - Mặt phẳng E chứa cường độ điện trường bức xạ của anten. - Mặt phẳng H chứa cường độ từ trường bức xạ của anten. Hai mặt phẳng này luôn trực giao nhau. Đối với anten dipole và Yagi, mặt phẳng E luôn song song với các phần tử tuyến tính của anten. Phần i: cơ sở lý thuyết chương II: anten và các hệ thống anten Phạm Trọng Đại - 505102009 Khoa CNTT - ĐH phương đông 34 Hình 2.6 Hình dạng búp sóng bức xạ trên mặt phẳng ngang. Hình 2.7 Hình dạng búp sóng bức xạ trên mặt phẳng đứng. Phần i: cơ sở lý thuyết chương II: anten và các hệ thống anten Phạm Trọng Đại - 505102009 Khoa CNTT - ĐH phương đông 35 Hình 2.8 Hình dạng búp sóng bức xạ trong không gian 3 chiều. 2.2.4. Trở kháng và hệ số sóng đứng. Để đạt được sự truyền công suất tối đa qua các kết nối connector, ví dụ như kết nối giữa một đường cáp đồng trục với anten, trở kháng đầu vào của anten phải phối hợp với trở kháng của đường truyền dẫn. Nếu hai trở kháng này không phối hợp, thì sẽ có một lượng sóng phản xạ sinh ra, dội ngược trở lại nguồn phát tín hiệu. Khi đó sóng (điện áp) trên đường truyền là sự chồng chéo của cả sóng tới và sóng phản xạ. Hệ số giữa giá trị cực đại và cực tiểu của điện áp được định nghĩa là hệ số sóng đứng VSWR. Hầu hết các hệ thống có trở kháng sóng là 50 Ohm. Do đó, anten phải được thiết kế sao cho có trở kháng sóng xấp xỉ 50 Ohm. Tham số VSWR 1.0:1 chỉ ra rằng anten có trở kháng sóng chính xác là 50 Ohm. Tham số VSWR có giá trị càng bé càng tốt vì nó gây ra suy hao trực tiếp. Rõ ràng, nếu không có sự phối hợp trở kháng thì sẽ dẫn tới hiệu suất làm việc Phần i: cơ sở lý thuyết chương II: anten và các hệ thống anten Phạm Trọng Đại - 505102009 Khoa CNTT - ĐH phương đông 36 của anten giảm sút cả khi nó thu hay phát tín hiệu. Đối với nhiều hệ thống, anten thường được thiết kế để làm việc tốt với hệ số VSWR nhỏ hơn 1.5:1. Lấy ví dụ về suy hao VSWR: Giả thiết chúng ta có hệ số VSWR là 1.5:1. Ta sẽ tính suy hao là bao nhiêu? Hệ số phản xạ G có thể được xác định theo công thức dưới đây: 2,0 15,1 15,1 1 1 = + - = + - =G VSWR VSWR Từ giá trị trên, ta tính được suy hao phản xạ: RL = -20log(|G|) = -20log(0,2) = 14dB. Công suất phản xạ lại sẽ là 14dB từ công suất đến. Lấy ví dụ, nếu công suất cấp vào thiết bị là 0 dBm (1mW), VSWR là 1,5:1 thì suy hao 14dB ( tương đương giảm 25 lần của 1mW = 0,04 mW) sẽ bị phản xạ lại và bị tiêu hao trong một cái tải giả. Khi đó, công suất phát ra của thiết bị sẽ là: Pout = Pin - PRL = 1mW – 0,04mW = 0,96mW. Cuối cùng, nếu tính suy hao bằng dB: Loss (dB) = 10log(Pout/Pin) = 10log(0,96) = - 0,18dB Do đó, suy hao ghép nối gây ra bởi công suất phản xạ là 0,18dB hay 4,0%. 2.2.5. Các tham số khác. Độ rộng búp sóng nửa công suất: đây là góc mở mà tại đó công suất bức xạ của anten giảm xuống 3dB so với hướng cực đại. Phần i: cơ sở lý thuyết chương II: anten và các hệ thống anten Phạm Trọng Đại - 505102009 Khoa CNTT - ĐH phương đông 37 Hệ số front-to-back (hệ số búp sóng chính/búp sóng phụ) và mức búp sóng phụ dùng để đo mức năng lượng bức xạ ra ngoài phạm vi của búp sóng chính. Đối với anten phát, các búp sóng phụ gây ra nhiễu cho các anten thu gần đó. Đối với anten thu, các anten phát quanh đó có thể gây nhiễu cho nó. Trong trường hợp anten định hướng, hầu hết các nhà sản xuất muốn đáp ứng hoặc vượt qua các chỉ tiêu kỹ thuật tiêu chuẩn. Thực tế, có một số tham số mà chúng ta rất khó có thể đo kiểm được, cũng như hoạt động thực tế của anten cũng luôn thay đổi. Nói chung, với một anten định hướng có hệ số tăng ích cao thì sẽ có hệ số front-to-back tốt hơn anten có hệ số tăng ích thấp. Băng thông: băng thông của anten đơn giản là phạm vi tần số mà anten làm việc. Phân cực: Phân cực miêu tả sự định hướng của vectơ trường điện từ. Tất cả các bức xạ trường điện từ được xem như bị phân cực hình elip. Nó có các trường hợp cụ thể như sau: phân cực tuyến tính, tròn và elíp. Điểm quan trọng ở đây là công suất cực đại truyền giữa anten thu và phát chỉ diễn ra nếu các anten có cùng định hướng về không gian và phân cực. Hình 2.9 Sự phân cực. Công suất tối đa: Hoạt động của anten tại mức công suất mà vượt quá giới hạn thiết kế của anten có thể làm tăng hệ số VSWR, dẫn tới gây lỗi. Tản nhiệt: Vấn đề tản nhiệt rất quan trọng trong thiết kế của anten vì anten rõ ràng là một loại tải tiêu thụ (nó sẽ suy hao 1dB/300W). Với loại cáp Phần i: cơ sở lý thuyết chương II: anten và các hệ thống anten Phạm Trọng Đại - 505102009 Khoa CNTT - ĐH phương đông 38 mềm đường kính lõi nhỏ có thể sinh ra nhiệt nếu chúng mang tín hiệu công suất lớn. Khả năng chịu lực kéo của gió: Khi anten sử dụng tấm phản xạ kích thước lớn sẽ làm tăng hệ số front-to-back, tuy nhiên, nó cũng làm tăng sức cản của gió. Do vậy, thiết kế cơ khí và quá trình lắp đặt anten cần được đặc biệt chú ý. 2.3. Kỹ thuật hạn chế phading. Chúng ta sẽ làm thế nào để thu được tín hiệu tốt nhất trong điều kiện không có đường truyền thẳng trực tiếp giữa máy phát và máy thu? Vì chúng ta không thể loại trừ hiệu ứng nhiều tia, nên làm thế nào để hạn chế được ảnh hưởng của hiệu ứng này? Các nhà thiết kế đã tìm ra rất nhiều phương pháp để hạn chế hoặc loại bỏ suy hao tín hiệu gây ra bởi hiệu ứng nhiều tia. Các giải pháp trong đó có tối ưu hóa vị trí đặt anten, hạn chế các vật phản xạ. Tuy nhiên, môi trường vô tuyến rất phức tạp.Trong công nghệ thông tin di động cellular, có rất nhiều kỹ thuật thu phân tập được áp dụng. Tuy nhiên, hai kỹ thuật thu phân tập thường được sử dụng nhất là phân tập theo không gian và phân tập theo cực tính. 2.3.1. Thu phân tập theo không gian. Sự suy yếu của tín hiệu gây ra bởi truyền dẫn nhiều tia thường xảy ra trong thời gian ngắn, và đặc biệt là nó có tính chất phân bố độc lập. Thực tế cho thấy, nếu có hai anten được đặt tại các vị trí cách xa nhau vài bước sóng thì sẽ không chịu ảnh hưởng của phading tại cùng một thời điểm. Tín hiệu phát ra từ máy di động sẽ chịu ảnh hưởng của các hiệu ứng trong môi trường lan truyền, và nó đến anten BTS theo các đường truyền khác nhau, pha khác nhau. Kết quả là tín hiệu thu tại anten BTS là sự tổng hợp của rất nhiều tín hiệu thành phần có biên độ, pha và cực tính khác nhau. Nếu hai anten được đặt cách xa nhau một khoảng theo chiều đứng hoặc chiều ngang thì rất có thể một trong số chúng sẽ thu được tín hiệu mạnh. Bộ chuyển mạch tức thời tín hiệu thu của hai anten này để chọn ra một tín hiệu có hệ số SNR là tốt nhất. Phần i: cơ sở lý thuyết chương II: anten và các hệ thống anten Phạm Trọng Đại - 505102009 Khoa CNTT - ĐH phương đông 39 Phụ thuộc vào đặc tính của môi trường truyền dẫn từng khu vực mà thu phân tập theo không gian sẽ đem lại hệ số tăng ích thu phân tập từ 3 đến 5 dB, khi so sánh với thu bằng một anten. Yêu cầu khoảng cách giữa hai anten thu tối thiểu là từ 10 đến 20l. - 12 đến 24ft @ 800MHz. - 5 đến 10ft @ 1900MHz. Hình 2.10 Một số cấu hình của anten thu phân tập không gian Phần i: cơ sở lý thuyết chương II: anten và các hệ thống anten Phạm Trọng Đại - 505102009 Khoa CNTT - ĐH phương đông 40 Hình 2.11 Tín hiệu thu phân tập theo không gian. Rõ ràng, kỹ thuật thu phân tập theo không gian cho kết quả tốt nhưng số lượng anten thu cần sử dụng lại rất nhiều. 2.3.2. Phân tập theo cực tính. Việc sử dụng thu phân tập theo không gian là một kỹ thuật để hạn chế phading và được áp dụng trong các hệ thống thông tin di động ngày nay. Tuy nhiên, trong vài năm trở lại đây, các nhà sản xuất thiết bị viễn thông đã đặc biệt quan tâm đến loại anten phân cực kép cho trạm thu phát gốc. Động cơ thúc đẩy nghiên cứu ra loại anten này, đó là giảm giá thành lắp đặt và giảm không gian lắp thiết bị. Trong thông tin di động, anten cho trạm thu phát gốc thường sử dụng loại ±450 so với phân cực tuyến tính thẳng đứng vertical. Với cấu trúc như vậy, anten phân cực kép có khả năng thu được năng được đều nhau trên cả hai nhánh. Các thông số quan trọng của anten phân cực kép đó là độ cách ly giữa 2 cổng (port-to-port isolation) và mẫu phân cực chéo hoặc đồng cực. Phần i: cơ sở lý thuyết chương II: anten và các hệ thống anten Phạm Trọng Đại - 505102009 Khoa CNTT - ĐH phương đông 41 Năng lượng vô tuyến được phát ra từ MS dưới dạng phân cực tuyến tính, nhưng khi đến anten thu của BTS, nó bị biến đổi theo mọi hướng cực tính. Hai anten độc lập sẽ thu năng lượng của tín hiệu theo cực tính của nó. Hầu hết môi trường truyền dẫn ở khu vực đô thị và ngoại ô chịu ảnh hưởng của tán xạ được sử dụng kỹ thuật thu phân tập này. Hình 2.12 Thu phân tập theo cực tính. Phần iI: các mô hình truyền sóng chương III: một số mô hình truyền sóng Phạm Trọng Đại - 505102009 Khoa CNTT - ĐH phương đông 42 Phần II Các mô hình truyền sóng Chương III Một số mô hình truyền sóng Việc dự đoán suy hao truyền dẫn trong thông tin di động gặp phải rất nhiều khó khăn do thiết bị thông tin cụ thể là Mobile luôn luôn di động và anten của nó thường đặt thấp hơn nhiều so với địa hình xung quanh. Tuy nhiên, để thực hiện hệ thống một cách có hiệu quả các nhà nhiên cứu đã phải đưa ra các mô hình bằng thực nghiệm trong các điều kiện khác nhau. Công thức sau là suy hao trong môi trường tự do không có phản xạ, anten của Mobile và anten trạm gốc trong tầm nhìn thẳng và các anten bức xạ đẳng hướng. Lbf = 20.log(4pd/l) Một công thức khác tính toán suy hao đường truyền trong điều kiện có sự tham gia của mặt đất. Phản xạ một lần qua mặt đất, và với điều kiện anten bức xạ đẳng hướng. L = 20.log ( 21 2 hh d ) Trong đó: d: là cự ly truyền [m] h1: độ cao anten trạm gốc h2: độ cao anten Mobile Ngoài ra có một hiện tượng khác là những ảnh hưởng do mép dài của các vật chướng ngại. Theo nguyên tắc truyền sóng, các vật chướng ngại sẽ làm suy Phần iI: các mô hình truyền sóng chương III: một số mô hình truyền sóng Phạm Trọng Đại - 505102009 Khoa CNTT - ĐH phương đông 43 hao năng lượng sóng mức độ tuỳ thuộc vào mức độ bị che khuất của đường truyền. Sơ đồ sau miêu tả suy hao nhiễu xạ thông qua thông số V. V = h 2.1. )21.(2 dd dd l + Trong môi trường di động, các vật cản trở rất khó dự đoán trước nhưng việc mô hình nhiễu xạ vẫn rất quan trọng trong hầu hết các mô hình truyền sóng di động. Hình 3.1: Nhiễu xạ bờ Bằng phương pháp thực nghiệm một số nhà nghiên cứu đã đưa ra một số mô hình áp dụng cho nhiều dạng địa hình khác nhau thông qua hàng nghìn thí nghiệm và số liệu đo đạc thực tế. Sau đây là một số mô hình: 3.1. Mô hình Okumura. Trong các bản báo cáo của Okumura có chứa một tập các đường cong được xây dựng từ rất nhiều các phép đo được thực hiện từ năm 1962 đến 1965. Mục đích của nó là miêu tả sự suy hao và sự thay đổi cường độ trường điện từ theo sự thay đổi của địa hình. d1 d2 h Rx Tx Phần iI: các mô hình truyền sóng chương III: một số mô hình truyền sóng Phạm Trọng Đại - 505102009 Khoa CNTT - ĐH phương đông 44 Okumura muốn tính toán một cách hệ thống đối với các loại địa hình khác nhau và các môi trường khác nhau. Do vậy, ông đã phân loại địa hình và môi trường như sau: Địa hình: - Địa hình bằng phẳng: là địa hình có các vật thể trên đó có chiều cao trung bình không vượt quá 20m. - Địa hình bất thường: là các địa hình không thuộc địa hình bằng phẳng, ví dụ như địa hình có đồi núi. Môi trường: - Khu vực mở: là vùng không gian trong đó không có cây cao, tòa nhà cao tầng chắn ngang đường truyền sóng. Địa hình thoáng đãng, không có vật thể nằm cản đường truyền đến máy di động trong phạm vi 300 đến 400m. Ví dụ như khu vực cánh đồng, nông trang. - Khu vực ngoại ô: Khu làng xã, đường cao tốc với cây và nhà thưa thớt. Trong khu vực này có một số vật thể chắn nhưng không che chắn hoàn toàn. - Khu vực thành phố: là khu vực có nhiều nhà cao tầng san sát nhau, dân cư đông đúc, cây cối trồng thành hàng sát nhau. Công thức Okumura: LOKUMURA = Lfs + Am (3- 1) Trong đó: Am là hệ số suy hao dự đoán Okumura. Am được tra qua đồ thị đường cong. Lfs : là suy hao lan truyền trong không gian tự do. Ví dụ: Phần iI: các mô hình truyền sóng chương III: một số mô hình truyền sóng Phạm Trọng Đại - 505102009 Khoa CNTT - ĐH phương đông 45 f = 800MHz. d = 10km hBS = 200m hMS = 3m. Từ đồ thị đường cong dự đoán suy hao , ta có Am = 29dB. Do đó, Ltotal = Lfs + Am = 32,44 +20lg(800) + 20lg(10) + 29 = 139,5dB. Hình 3.2: Đường cong dự đoán suy hao. Phần iI: các mô hình truyền sóng chương III: một số mô hình truyền sóng Phạm Trọng Đại - 505102009 Khoa CNTT - ĐH phương đông 46 3.2. Mô hình SAKAGAMIKUBOL. Đây là mô hình được phát triển dựa trên kết quả của mô hình Okumura. Kết quả là có được một mô hình đáng quan tâm bởi những lý do sau: - Nó đưa ra rất nhiều tham số cho môi trường đô thị - Nó có thể đáp ứng được trên phạm vi tần số 450 á 2200Mhz. - Nó đưa ra những quy định hợp lệ đối với những độ cao của anten trạm gốc thấp hơn đỉnh các toà nhà, để tạo ra mô hình hữu ích cho ứng dụng của Microcell. Công thức của mô hình này là: Lp = 100 - 7,1logW + 0,023f + 1,4loghs + 6,1log - [24,37-3,7(H/hbo)]loghb + (43,42 - 3,1loghb)logd + 20logf + exp[13(logf - 3.23)] Trong đó: Lp : Suy hao [dB] W : Bề rộng của đường tại điểm thu (5á50 m) f : Góc giữa trục của đường với đường thẳng nối từ anten tram gốc đến máy di động. hs : Độ cao của toà nhà có đặt anten trạm gốc phía thu (5á80m) : Độ cao trung bình của các toà nhà xung quanh điểm thu (5á50m) hb : Độ cao anten trạm gốc tại điểm thu (20á100m) H : Độ cao trung bình của các toà nhà xung quanh trạm gốc (H>hbo) d : Khoảng cách giữa trạm gốc và điểm thu (0,5á10km) f : Tần số hoạt động (450á2200km) Phần iI: các mô hình truyền sóng chương III: một số mô hình truyền sóng Phạm Trọng Đại - 505102009 Khoa CNTT - ĐH phương đông 47 3.3. Mô hình Hata. Mô hình Hata xây dựng trên kinh nghiệm, đúc rút từ mô hình Okumura. Mô hình Hata chuyển đổi các thông tin về suy hao đường truyền có tính hình học của mô hình Okumura sang công thức toán học. Mô hình này được xây dựng dựa trên suy hao đường truyền giữa các anten isotropic, nhưng nó cũng xét đến các thông số khác như chiều cao của cột anten trạm BTS, chiều cao của anten MS. Địa hình trong mô hình được giả thiết là khá bằng phẳng, không có bất thường. Các điều kiện ràng buộc của mô hình Hata: - Dải tần làm việc: 150 đến 1500MHz. - Chiều cao của anten BTS: 30 đến 200m. - Chiều cao của anten MS: 1 đến 10m. - Khoảng cách giữa BTS và MS: 1 đến 20km. Công thức Hata tính suy hao đường truyền: LHATA = 69,55 + 26,16logfC –13,82loghB – a(hm) + (44,9 – 6,55loghB) x logR. (3-2) Trong đó: Đối với khu vực thành phố vừa và nhỏ: a(hm) = (1,1logfC – 0,7)hm - (1,56logfC – 0,8 ) Đối với khu vực thành phố lớn: a(hm) = 8,29(log1,54hm) 2 – 1,1 fC < 200MHz. a(hm) = 3,2(log11,75hm) 2 – 4,97 fC > 400MHz. Đối với khu vực ngoại ô: LHATA, Suburban = LHATA –2 (log(fC/28)) 2 – 5,4. Đối với khu vực trống: Phần iI: các mô hình truyền sóng chương III: một số mô hình truyền sóng Phạm Trọng Đại - 505102009 Khoa CNTT - ĐH phương đông 48 LHATA, Suburban = LHATA – 4,78(logfC) 2 + 18,33logfC – 40,94. Bảng 3.1: Bảng tham số Hata Tham số Giải thích Phạm vi fC Tần số (MHz) 150 ~ 1500 hb Chiều cao cột anten BTS (m) 30 ~ 200 hm Chiều cao anten MS (m) 1 ~ 10 R Khoảng cách BTS đến MS (km) 1 ~ 20 a(hm) Hệ số hiệu chỉnh 3.4. Mô hình COST231 – Walfish – Ikegami. COST là chữ viết tắt của công ty chuyên nghiên cứu công nghệ và khoa học trường điện từ Châu Âu. COST là công ty kết hợp giữa nghiên cứu và công nghiệp. Mục tiêu chính của COST là nghiên cứu bản chất của quá trình lan truyền sóng điện từ trong dải tần VHF và UHF và phát triển các mô hình kênh, lan truyền đã được chứng minh. Dự án COST213 nghiên cứu tiến trình phát triển của hệ thống thông tin di động mặt đất là một trong số rất nhiều dự án nghiên cứu của COST, nó là kết quả của quá trình phát triển và mở rộng các mô hình lan truyền sóng. Lấy ví dụ, mô hình Hata được mở rộng để có thể ứng dụng vào phạm vi truyền sóng lên tới 100km, trên dải tần số từ 1,5 đến 2GHz. Đây chính là mô hình COST213-Hata. Một mô hình khác được phát triển mở rộng, đó là COST231-Walfish-Ikegami. Các mô hình truyền sóng mà chúng ta đã đề cập ở phần trước chỉ được áp dụng cho đường truyền sóng trực tiếp từ BTS đến MS. Những mô hình cổ điển này được ứng dụng vào các cell lớn (macro Cell) với chiều cao lớn của cột anten BTS. Kết quả là, các mô hình này không thể áp dụng vào các hệ thống đang được Phần iI: các mô hình truyền sóng chương III: một số mô hình truyền sóng Phạm Trọng Đại - 505102009 Khoa CNTT - ĐH phương đông 49 triển khai hiện nay, với đường truyền ngắn hơn 1km và rất hiếm đường truyền thẳng trực tiếp LOS. Mô hình COST231-Walfish-Ikegami ước lượng suy hao đường truyền trong môi trường đô thị, với dải tần làm việc từ 800 đến 2000MHz. Mô hình này được áp dụng cho cả đường truyền thẳng LOS và đường truyền gián tiếp NLOS. Đối với đường truyền LOS, mô hình sẽ được chuyển đổi về lan truyền trong không gian tự do. Đối với đường truyền NLOS, mô hình sẽ được bổ sung thêm 2 điều kiện về suy hao. Điều kiện thứ nhất là suy hao nhiều bề mặt, nguyên nhân gây ra bởi tín hiệu lan truyền từ BTS qua các mái nhà. Điều kiện thứ hai gây ra bởi suy hao khúc xạ và tán xạ tại mái, cạnh tòa nhà, góc phố nơi máy mobile đang ở đó. Có 3 thành phần cần quan tâm đến trong mô hình: - Suy hao lan truyền trong không gian tự do Lfs - Suy hao nhiều bề mặt Lms - Suy hao khúc xạ và tán xạ từ mái nhà đến đường phố Lrts. Điều kiện ứng dụng của mô hình là cho đường truyền sóng vô tuyến trong khu vực đô thị. - Tần số làm việc fC : 800 đến 2000MHz. - Chiều cao cột anten BTS hb : 4 đến 50m. - Chiều cao anten MS hm : 1 đến 3m. - Khoảng cách từ BTS đến MS: 20 đến 5km. Công thức COST231-Walfish-Ikegami : Lfs + Lms + Lrts LCOST = Lfs Nếu Lms + Lrts < 0 (3-3) Chú ý: khi suy hao do khúc xạ và suy hao bề mặt nhỏ hơn hoặc bằng 0, thì mô hình sẽ chuyển về suy hao lan truyền trong không gian tự do. Phần iI: các mô hình truyền sóng chương III: một số mô hình truyền sóng Phạm Trọng Đại - 505102009 Khoa CNTT - ĐH phương đông 50 Trước khi kiểm tra lại công thức, chúng ta phải định nghĩa một số tham số phụ được sử dụng trong công thức. - Độ rộng của đường phố W (m). - Khoảng cách giữa các tòa nhà dọc theo đường truyền b (m). - Chiều cao của tòa nhà hroof (m). - Dhm = hroof – hm ; Dhb = hb - hroof - Góc tới tạo với chiều của đường phố j (độ). Các công thức tính suy hao chính: Suy hao trong không gian tự do: Lfs = L (dB) = 32.44 + 20logf(MHz) + 20logd(km) Suy hao khúc xạ và tán xạ: Lrts = -16,9 – 10logW + 10logfC + 20logDhm + Lj . Suy hao đa bề mặt: Lms = Lbsh + ka + kdlogd + kplogfC – 9logb. Các tham số phụ trong mô hình. Suy hao hướng phố: 00 00 00 9055 5535 350 )55(114,00,4 )35(075,05,2 345,010 << << << ù ợ ù ớ ỡ -- -+ +- = j j j j j j khi khi khi Lori Phần iI: các mô hình truyền sóng chương III: một số mô hình truyền sóng Phạm Trọng Đại - 505102009 Khoa CNTT - ĐH phương đông 51 Hình 3.3: Các tham số trong mô hình Walfish- Ikegami. Bảng 3.2: Các giá trị ngầm định các tham số trong mô hình Tham số ý nghĩa Giá trị b Khoảng cách giữa các tòa nhà. 20 đến 50m w Độ rộng đường phố b/2 hroof Chiều cao tòa nhà 3m x số tầng j Góc tới 90 độ Phần iI: các mô hình truyền sóng chương IV: mô hình truyền sóng trong nhà Phạm Trọng Đại - 505102009 Khoa CNTT - ĐH phương đông 52 Chương IV Mô hình truyền sóng trong nhà 4.1. Các mô hình thực nghiệm. 4.1.1. Truyền sóng bên ngoài vào bên trong tòa nhà. Trong những năm gần đây, công nghệ thông tin di động đánh dấu sự phát triển bùng nổ của các thiết bị di động cá nhân cả về số lượng lẫn chủng loại. việc lập kế hoạch trong mạng viễn thông là vấn đề cần thiết để theo kịp với sự phát triển này. Trong thông tin di động, các nhà chuyên môn lấy yếu tố suy hao đường truyền tín hiệu trong tòa nhà để đánh giá chất lượng cho từng mạng di động. Các vấn đề của mô hình lan truyền tín hiệu trong nhà rất khác nhau và phức tạp. Cụ thể là: Đó là môi trường 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, nó phụ thuộc vào số tầng của tòa nhà. Trong khu vực thành thị, chung ta dễ nhận thấy rằng tín hiệu sẽ có đường truyền thẳng LOS từ BTS đến MS khi MS đang ở các tầng cao của tòa nhà, trong khi nếu MS ở các tầng thấp hay trên phố, đường truyền LOS rất khó đạt được. Môi trường truyền dẫn bên trong tòa nhà trong đó chứa nhiều vật cản. những vật cản này làm từ nhiều loại vật liệu khác nhau, và có vị trí gần với máy di động. Với môi trường như vậy, đặc tính lan truyền của tín hiệu sẽ thay đổi rất nhiều so với môi trường ngoài trời. Chúng ta đã có rất nhiều các công trình nghiên cứu về lan truyền tín hiệu từ ngoài vào bên trong tòa nhà, đặc biệt với các dải tần số sử dụng cho mạng di động. Các công trình nghiên cứu này chia thành hai loại sau: - Loại thứ nhất nghiên cứu trong môi trường có chiều cao trạm BTS từ 3 đến 9m và máy di động chủ yếu di chuyển trong các tòa nhà cao 1 hoặc 2 tầng nằm ở vùng ngoại ô. Phần iI: các mô hình truyền sóng chương IV: mô hình truyền sóng trong nhà Phạm Trọng Đại - 505102009 Khoa CNTT - ĐH phương đông 53 Hình 4.1. Trạm BTS dùng ở ngoại ô - Loại thứ hai nghiên cứu trong môi trường có chiều cao trạm BTS tương đương với trong mạng di động cellular và máy di động di chuyển trong các tòa nhà cao tầng. Hình 4.2. Trạm BTS dùng cho nhà cao tầng Phần iI: các mô hình truyền sóng chương IV: mô hình truyền sóng trong nhà Phạm Trọng Đại - 505102009 Khoa CNTT - ĐH phương đông 54 Các nghiên cứu cho loại thứ nhất xuất phát từ hệ thống điện thoại vô tuyến cầm tay vì hệ thống này phục vụ cho một số lượng lớn các thiết bị cầm tay công suất thấp, có bán kính cell nhỏ (<1km). Trong hệ thống này, việc phủ sóng cho một tòa nhà cao tầng được thực hiện thông qua rất nhiều cell nhỏ nằm trong tòa nhà. Đó 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 được tiến hành trong nhà. Trong mạng thông tin di động cellular, anten của các trạm thu phát macrocell thường được đặt trên mái nhà của tòa nhà cao tầng nên thường có chiều cao từ 60 đến 100m so với mặt đất và bán kính cell lớn nhất có thể tới 30km. Do vậy chúng ta không 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 như trong tòa nhà có fading Rayleigh phân bố xấp xỉ với fading hàm log. Nói cách khác, hàm thống kê tín hiệu trong tòa nhà có thể được mô hình như là sự xếp chồng của quá trình small – scale (Rayleigh) và large – scale (lognormal) là các mô hình truyền sóng ngoài trời cho khu vực thành thị. Mức tín hiệu luôn thay đổi theo chiều cao của anten và chịu ảnh hưởng của sự phản xạ mặt đất. Các kết quả nghiên cứu đã đưa ra công thức suy hao của tín hiệu: 10 log (12)L S n d= + ´ Trong đó: S là hằng số, S = 32.0 @ 900MHz S = 38.0 @ 1800MHz d là khoảng cách giữa máy phát và máy thu. Các phép đo thực nghiệm được thực hiện bằng cách sử dụng một máy thu được đặt cố định và một máy phát cầm tay di chuyển khắp mọi vị trí trong tòa nhà, đã cho thấy giá trị của tham số n trong công thức (12) sẽ là: - Bên ngoài tòa nhà là: 4.5 Phần iI: các mô hình truyền sóng chương IV: mô hình truyền sóng trong nhà Phạm Trọng Đại - 505102009 Khoa CNTT - ĐH phương đông 55 - Tại tầng 1 là: - 3.9 - Tại tầng 2 là: -3.0 - Tại tầng hầm là: - 2.5 Trong khi đó, các nghiên cứu của loại thứ hai lại liên quan đến các đặc tính thống kê của suy hao trong nhà. Một công trình đầu tiên được giới thiệu bởi Rice, đã chỉ ra sự khác nhau giữa tín hiệu trung bình tại tầng khảo sát của tòa nhà với mức tín hiệu trung bình bên ngoài tòa nhà, trên phố nằm kề với tòa nhà. Rõ ràng là có hai khả năng xảy ra, hoặc là ta có thể thực hiện các phép đo trên đường phố nằm xung quanh tòa nhà để tìm được mức tín hiệu trung bình bên ngoài tòa nhà, như Rice đã đưa ra, hoặc là ta có thể lấy kết quả của phép đo tức thời bên ngoài tòa nhà tại vị trí nằm trên đường thẳng nối từ tâm tòa nhà đến vị trí máy phát. Phương pháp thứ hai sẽ chính xác hơn nếu tồn tại một đường truyền LOS giữa máy phát và tòa nhà. Nhưng trường hợp này rất ít khả năng vì tín hiệu truyền vào trong tòa nhà qua rất nhiều đường truyền tán xạ, nên phương pháp một mang tính thực tiễn hơn. Phương pháp phân tích số liệu cũng rất khác nhau. Mặc dù trong hầu hết các nghiên cứu, tín hiệu được lấy mẫu tại theo từng khoảng thời gian và từng vị trí. Nhưng nhìn chung, các phương pháp khác nhau này không làm ảnh hưởng đến giá trị trung bình phép đo suy hao tín hiệu trong tòa nhà. Vì những lí do này, chúng ta đôi khi rất khó so sánh kết quả của các công trình nghiên cứu. Suy hao phụ thuộc rất nhiều các yếu tố, nhưng chủ yếu là phụ thuộc vào tần số, điều kiện lan truyền và chiều cao của máy thu trong tòa nhà. Tuy nhiên, một số yếu tố khác cũng có ảnh hưởng đến suy hao tín hiệu như hướng của tòa nhà so với anten BTS, cấu trúc tòa nhà (vật liệu xây nhà, số lượng và kích thước cửa sổ) và cách bố trí vật dụng trong tòa nhà. Trong hầu hết các mô hình để dự đoán cường độ tín hiệu trong tòa nhà đều sử dụng phương pháp kỹ thuật được đưa ra bởi Rice. Cụ thể là trước tiên, chúng ta dự đoán mức tín Phần iI: các mô hình truyền sóng chương IV: mô hình truyền sóng trong nhà Phạm Trọng Đại - 505102009 Khoa CNTT - ĐH phương đông 56 hiệu trung bình trên các con phố nằm xung quanh tòa nhà, sau đó cộng thêm phần suy hao bởi tòa nhà. Một nghiên cứu khác của Barry và Williamson – New Zealand tập trung nghiên cứu vào tòa nhà, tại các tầng chính có đường truyền thẳng tới trạm thu phát gốc BTS. Hai ông đã sử dụng các tiêu chuẩn tương tự như việc tính toán trong môi trường giao thông. Phương pháp mô tả thống kê của Suzuki cho thấy tín hiệu trên bất cứ tầng nhà nào tại tần số 900MHz có độ lệch tiêu chuẩn là 6.7dB. Mô hình cũng cho rằng suy hao qua cửa sổ có ô kính nhỏ có 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, tương tự như những nghiên cứu ở trên. Các nghiên cứu này đưa ra cách nhìn về bản chất ảnh hưởng của điều kiện lan truyền đến độ sai lệch tiêu chuẩn. Bảng 4.1 đưa 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 tòa 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 được thực hiện trong tòa nhà lớn, có tầng hầm thì giá trị suy hao là 14.2, 13.4 và 12.8 tương 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 được thiết kế mà đạt được chất lượng tốt nhất tại tầng hầm thì chất lượng tại các tầng trên của tòa nhà cũng sẽ tốt. Chúng ta cũng phải nhấn mạnh một điều là, tổng suy hao tín hiệu lan truyền từ trạm BTS đến MS được chia ra làm hai thành phần: một là suy hao tín hiệu từ BTS đến vị trí xung quanh tòa nhà; thứ hai là suy hao của tín hiệu khi xâm nhập vào tòa nhà. Sự phân chia này tạo thuận lợi khi chúng ta ước lượng suy hao của tín hiệu. Theo các kết quả nghiên cứu ở trên, suy hao xâm nhập vào tòa nhà và suy hao trong không khí của tín hiệu tăng tỉ lệ thuận với tần số. Phần iI: các mô hình truyền sóng chương IV: mô hình truyền sóng trong nhà Phạm Trọng Đại - 505102009 Khoa CNTT - ĐH phương đông 57 Suy hao xâm nhập Số tầng 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 Bảng 4.1 Giá trị suy hao xâm nhập theo số tầng. Các điều kiện của môi trường truyền dẫn cũng có ảnh hưởng rất lớn đến giá trị sai lệch chuẩn và cũng ảnh hưởng đến giá trị gốc của hàm phân bố lognormal. Hình 4.3 chỉ ra rằng, khi tín hiệu không có đường truyền thẳng LOS, sự thay đổi của tín hiệu theo tỉ lệ lớn (large-scale) sẽ tuân theo sự phân bố lognormal và khi đó giá trị sai lệch chuẩn sẽ là 4dB. Trong trường hợp khác, khi tín hiệu tồn tại đường truyền thẳng đến toàn bộ tòa nhà hoặc một phần của tòa nhà, thì sự thay đổi của tín hiệu theo tỉ lệ lớn (large-scale) sẽ xuất phát từ một giá trị nào đó của hàm lognormal và giá trị sai lệch chuẩn sẽ cao hơn. Đối với môi trường truyền dẫn hoàn toàn LOS, giá trị sai lệch chuẩn sẽ là 6 – 7dB. Phần iI: các mô hình truyền sóng chương IV: mô hình truyền sóng trong nhà Phạm Trọng Đại - 505102009 Khoa CNTT - ĐH phương đông 58 Hình 4.3 Phân bố tích lũy của sự thay đổi tín hiệu tại tần số 900MHz trong tòa nhà không có đường truyền LOS. : giá trị đo : giá trị lý thuyết của phân bố lognormal với độ lệch chuẩn 4dB. Tóm lại, giá trị sai lệch chuẩn của tín hiệu có liên quan đến diện tích của sàn, với sàn có diện tích nhỏ thì giá trị sai lệch chuẩn cũng sẽ nhỏ và ngược lại. Suy hao xâm nhập sẽ giảm khi MS di chuyển lên các tầng cao của tòa nhà, vì sẽ có nhiều đường truyền LOS đến các tầng cao hơn là các vị trí thấp trên các con phố xung quanh tòa nhà. Phần iI: các mô hình truyền sóng chương IV: mô hình truyền sóng trong nhà Phạm Trọng Đại - 505102009 Khoa CNTT - ĐH phương đông 59 Hình 4.4. Mối quan hệ giữa suy hao xâm nhập và số tầng tòa nhà. Tuy nhiên, cũng có những trường hợp cá biệt, đó là giá trị suy hao xâm nhập lại tăng lên cùng với số tầng của tòa nhà. Điều này gây ra bởi điều kiện môi trường lan truyền đặc biệt tồn tại giữa BTS và MS. Hình 4.4 chỉ ra sự thay đổi 2dB trên mỗi tầng. Tổng kết lại, khi trạm thu phát nằm bên ngoài, tín hiệu bên trong tòa nhà sẽ có 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 môi trường lan truyền và diện tích từng tầng. - Suy hao xâm nhập vào tòa nhà của tín hiệu sẽ giảm khi tần số tăng. - Khi không có đường truyền thẳng LOS giữa BTS và tòa nhà (cơ chế tán xạ chiếm ưu thế), sự sai lệch tiêu chuẩn của giá trị trung bình cục bộ xấp xỉ 4dB. Khi có đường 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. Phần iI: các mô hình truyền sóng chương IV: mô hình truyền sóng trong nhà Phạm Trọng Đại - 505102009 Khoa CNTT - ĐH phương đông 60 Cuối cùng, chúng ta thảo luận về vấn đề mô hình hóa. Hầu hết các mô hình lan truyền ngoài trời được phát triển và tối ưu cho macrocell, và chúng không chính xác khi áp dụng cho microcell. Ngoài ra, việc dự đoán suy hao đường truyền từ một trạm BTS bên ngoài đến một máy thu nằm bên trong tòa nhà sẽ chính xác hơn nếu nó được tính toán trực tiếp và không đơn thuần là sự mở rộng của các mô hình ngoài trời. Barry và Williamson đã đưa ra một hệ số kết hợp liên quan đến sự lan truyền của tín hiệu từ ngoài vào trong tòa nhà và hệ số liên quan đến sự lan truyền của tín hiệu bên trong tòa nhà để cho ra đời một mô hình toàn diện. Toledo đã thực hiện các phân tích hồi quy nhiều bước với một cơ sở dữ liệu to lớn, và nghiên cứu mối quan hệ của các tham số. Kết quả tốt nhất của ông là đưa 3 tham số vào công thức toán hồi quy. Đó là khoảng cách d giữa máy phát và thu, diện tích sàn Af, và hệ số SQ thể hiện cho số sàn của tòa nhà có đường truyền thẳng LOS. Mô hình cho tần số 900MHz và 1800MHz như sau: 37.7 40log 17.6log 27.5 (13)f QL d A S= - + + - 27.9 40log 23.3log 20.9 (14)f QL d A S= - + + - Sai số giữa công thức toán học trên với giá trị đo thực nghiệm là 2.4 và 2.2dB tương ứng. Sai số này nhỏ hơn một chút so với kết quả nghiên cứu của Barry và Williamson. 4.1.2. Truyền sóng bên trong tòa nhà Có rất nhiều nghiên cứu về lan truyền sóng trong tòa nhà trên một phạm vi tần số rộng. Lan truyền sóng trong nhà chịu ảnh hưởng rất lớn bởi các đặc tính của tòa nhà như các bố trí vật dụng trong nhà, vật liệu dùng để xây dựng tường, sàn nhà, trần nhà. Phần iI: các mô hình truyền sóng chương IV: mô hình truyền sóng trong nhà Phạm Trọng Đại - 505102009 Khoa CNTT - ĐH phương đông 61 Hình 4.5. Mô hình phủ sóng trong các tòa nhà cao tầng Hệ thống thông tin vô tuyến trong nhà khác với hệ thống vô tuyến bình thường ở hai yếu tố quan trọng sau: môi trường can nhiễu và tốc độ fading. Môi trường can nhiễu thường gây ra bởi sự bức xạ của các thiết bị điện tử như máy tính. Mức nhiễu bên trong nhà này đôi khi lớn hơn bên ngoài. Hơn nữa, cường độ tín hiệu thay đổi từ chỗ này sang chỗ khác trong tòa nhà. Tín hiệu có thể bị suy hao rất nhiều khi lan truyền một vài mét qua tường, trần nhà hoặc sàn nhà hay Phần iI: các mô hình truyền sóng chương IV: mô hình truyền sóng trong nhà Phạm Trọng Đại - 505102009 Khoa CNTT - ĐH phương đông 62 thậm chí vẫn đủ mạnh sau khi đã lan truyền hàng trăm mét dọc hành lang. Hệ số tín hiệu trên tạp âm SNR rất khó dự đoán và thay đổi liên tục. Hình 4.6. Sơ đồ mô tả hệ thống phủ sóng trong các tòa nhà cao tầng Tốc độ fading chậm làm nó không thích hợp cho việc tính toán hoạt động của hệ thống. Có hai khả năng sau: thứ nhất, nếu người sử dụng máy điện thoại vô tuyến di chuyển chậm xung quanh trong tòa nhà trong khi cuộc đàm thoại vẫn liên tục, thì anten sẽ bị ảnh hưởng bởi fading. Trường hợp này được mô tả chính xác nhất bằng tỉ lệ phần trăm của thời gian khi hệ số SNR rơi xuống thấp hơn một giá trị có thể chấp nhận được. Nếu là hệ thống số, thì đó là tỉ lệ phần trăm của tỉ lệ lỗi rơi xuống thấp hơn giá trị cho phép. Tuy nhiên vì các ảnh hưởng thứ cấp (như chuyển động của người, cửa bị đóng hoặc mở), những khả năng này thay đổi chậm theo thời gian. Phần iI: các mô hình truyền sóng chương IV: mô hình truyền sóng trong nhà Phạm Trọng Đại - 505102009 Khoa CNTT - ĐH phương đông 63 Sự hoạt động không như mong muốn của hệ thống băng thông rộng có thể gây ra bởi nhiễu giữa các ký tự do sự trễ dải rộng. Điều này làm hạn chế tốc độ truyền dữ liệu. Do vậy, trong hệ thống băng thông hẹp, fading nhiều tia và che khuất làm hạn chế vùng phủ sóng. Nhiễu có thể xuất phát từ tự nhiên, cũng có thể do con người, hoặc cũng có thể do các user khác trong một hệ thống nhiều user tạo ra. Nó làm hạn chế số lượng user cùng tồn tại trong một vùng phủ sóng. Các kỹ thuật như cấp kênh động, điều khiển công suất, thu phân tập có thể được sử dụng để hạn chế vấn đề này. a. Đặc tính lan truyền. Một số các nghiên cứu đã được thực hiện để xác định các đặc tính lan truyền trong nhà, trong tòa nhà văn phòng, trong nhà xưởng. Một trong số các nghiên cứu mới nhất, được thực hiện trên hệ thống điện thoại vô tuyến tại Nhật Bản, có dải tần làm việc từ 250 đến 400MHz. Các kết quả đo được thực hiện với máy phát công suất thấp 10mW. Kết quả nghiên cứu cho thấy suy hao đường truyền trung bình tuân theo quy luật suy hao trong không gian tự do trong khoảng cách rất gần (trong phạm vi 10m). Sau đó, suy hao này tăng tỉ lệ với khoảng cách. Nếu đường lan truyền của tín hiệu bị che chắn bởi đồ vật, thì đặc tính lan truyền sẽ bị ảnh hưởng theo nhiều cách khác nhau và không có quy luật chung nào cả. Sự thay đổi tức thời của tín hiệu rất gần với phân bố Rayleigh, đó là kết quả của quá trình tán xạ bởi sự che chắn của tường, sàn, trần và đồ vật. Một quy luật liên quan giữa suy hao đường truyền và khoảng cách từ máy phát được sử dụng để dự đoán cường độ tín hiệu trong một tòa nhà có cấu trúc, nhưng chúng ta rất khó để đưa ra được một công thức chung. Mô hình chính xác nhất để miêu tả đường truyền thẳng thường xảy ra tại các phòng có diện tích tương đương nhau, có cùng kiểu sắp xếp đồ đạc, có suy hao giống nhau của tường ngăn giữa các phòng. Hệ số mũ n trong công thức tính suy hao thay đổi xung từ 2 khi tín hiệu lan truyền tự do tại sảnh hoặc hành lang đến 6 khi tín hiệu bị che chắn nhiều. Phần iI: các mô hình truyền sóng chương IV: mô hình truyền sóng trong nhà Phạm Trọng Đại - 505102009 Khoa CNTT - ĐH phương đông 64 Motley and Keenan đã báo cáo kết quả nghiên cứu thực nghiệm của họ với môi trường nghiên cứu là tòa nhà văn phòng nhiều tầng, tại tần số là 900MHz và 1700MHz. Một máy phát cầm tay di chuyển trong một phòng được lựa chọn trong tòa nhà này, trong khi máy thu là cố định một chỗ. Máy thu có vị trí tại trung tâm của tòa nhà, nó giám sát các mức của tín hiệu. Họ đã đưa ra một công thức thể hiện mối quan hệ giữa công suất và khoảng cách như sau: ' 10 log (15)P P kF S n d= + = + Trong đó: K: là số tầng. F: là suy hao tại mỗi tầng của tòa nhà. P’: là tham số suy hao phụ thuộc tần số. d: là khoảng cách từ máy phát đến máy thu. Bảng 1.2 đưa ra giá trị của các tham số được đo thực nghiệm. Chúng ta thấy rằng hệ số n là tương tự nhau cho cả hai tần số, nhưng F và S lại có giá trị cao hơn 6 và 5dB tại tần số 1700MHz. Kết quả này đã được kiểm tra lại trong các tòa nhà cao tầng khác. Ta thấy rằng tổng giá trị suy hao đường truyền của tín hiệu tại tần số 1700MHz sẽ lớn hơn 5.5dB so với suy hao tín hiệu tại tần số 900MHz. Nhận định này phù hợp với các kết quả dự đoán về mặt lý thuyết. Tần số F (dB) S (dB) N 900MHz 10 16 4 1700MHz 16 21 3,5 Bảng 4.2. Các tham số lan truyền trong tòa nhà. Các kết quả đo thực nghiệm khác cho thấy suy hao tín hiệu qua vách ngăn mềm là 3 – 4dB, và suy hao qua tường ngạch là 7 – 8dB. Giá trị suy hao qua các Phần iI: các mô hình truyền sóng chương IV: mô hình truyền sóng trong nhà Phạm Trọng Đại - 505102009 Khoa CNTT - ĐH phương đông 65 vật liệu trên thường nhỏ hơn giá trị suy hao tín hiệu qua sàn nhà, vì sàn nhà thường bằng bê tông có lưới kim loại gia cố. Chúng ta nhận thấy rằng tần số 1700MHz có xu hướng bị giữ lại năng lượng nhiều hơn tần số 900MHz khi truyền qua cầu thang bộ và thang máy. Các báo cáo cho biết suy hao giữa các tầng chịu ảnh hưởng bởi vật liệu xây dựng, số lượng và kích thước cửa sổ, cũng như chủng loại kính. Môi trường xung quanh tòa nhà cũng phải được xem xét, vì rõ ràng, năng lượng bên trong tòa nhà có thể lan truyền ra xa gây ảnh hưởng và nhiễu với các tòa nhà xung quanh. Nó có thể phản xạ ngược trở lại tòa nhà tại các tầng cao hoặc thấp hơn, phụ thuộc vào vị trí đặt anten và hướng búp sóng. Các kết quả thực nghiệm đã chỉ ra rằng suy hao giữa các tầng liền nhau sẽ lơn hơn suy hao của tín hiệu của các tầng khác. Sau năm hoặc sáu tầng, tín hiệu không còn ảnh hưởng lẫn nhau. Một số nghiên cứu cũng đã xuất bản thông tin về suy hao tín hiệu gây ra bởi lan truyền qua các loại vật liệu xây dựng khác nhau, trên các dải tần số khác nhau. Các nghiên cứu đã cho thấy, lan truyền tín hiệu bên trong tòa nhà sẽ phụ thuộc nhiều hơn vào cấu trúc, vật liệu xây dựng khi tần số cao hơn (ví dụ 1700MHz so với 900MHz). Băng tần thấp (860MHz) đã được sử dụng cho hệ thống điện thoại vô tuyến số Châu Âu DECT. Hệ thống này được thiết kế cho môi trường kinh doanh và dân dụng. Hệ thống này cung cấp một chất lượng thoại tốt, cung cấp các ứng dụng về dữ liệu và thoại. Nó cho phép người sử dụng các thiết bị cầm tay di chuyển linh hoạt trong tòa nhà. Mặc dù suy hao tín hiệu tăng lên theo tần số, nhưng dải tần 1700MHz có thể sử dụng được cho hệ thống điện thoại vô tuyến trong nhà. Trong bất cứ trường hợp nào, số lượng trạm thu phát sóng sẽ phụ thuộc vào dung lượng và yêu cầu về chất lượng hoạt động, chứ nó không bị giới hạn vào vùng phủ sóng của tín hiệu. Trong tòa nhà, không gian được chia thành các phòng riêng biệt, fading thường xuất hiện thành từng cụm, kéo dài trong vài giây với phạm vi dao động khoảng 30dB. Trong môi trường văn phòng thoáng rộng, fading xuất hiện liên Phần iI: các mô hình truyền sóng chương IV: mô hình truyền sóng trong nhà Phạm Trọng Đại - 505102009 Khoa CNTT - ĐH phương đông 66 tục nhưng lại có phạm vi dao động hẹp hơn, khoảng 17dB. Sự thay đổi đường biên theo thời gian là Fading Racian với giá trị của K từ 6dB đến 12dB. Giá trị của K là một hàm mở rộng, có sự bổ sung yếu tố chuyển động, thay cho cấu trúc nhiều tia tồn tại gần máy thu. Sự chuyển động của máy thu đầu cuối cũng gây ra fading, vì sự chuyển động này xuyên qua các khu vực có trường điện từ biến đổi. Có một số công thức mở rộng của (12) trong mô hình suy hao tín hiệu trong nhà. 10 log (16)dL S n d X= + + Trong đó: Xd: là tham số lognormal (dB) với độ sai lệch tiêu chuẩn là s . Anderson đã đưa ra giá trị tiêu chuẩn của s và n cho các loại tòa nhà khác nhau trên một phạm vi tần số, n nằm trong khoảng 1.6 đến 3.3 , còn s nằm trong khoảng từ 3 đến 14dB. Seidel cũng đưa ra các giá trị cho n và s cho các tòa nhà khác nhau. Các giá trị này được tìm ra thông qua các phép đo thực nghiệm tại rất nhiều vị trí. Các giá trị này được sử dụng để mô hình hóa lan truyền thông qua công thức sau: 10 log (17)SFL S n d F= + + Trong đó: nSF: là hệ số mũ cho các phép đo trên cùng một sàn. Giả thiết rằng nếu có một giá trị nSF chính xác, thì suy hao lan truyền trên các sàn khác nhau có thể được xác định bằng cách cộng thêm vào một giá trị thích hợp cho hệ số suy hao F giữa các sàn. Một cách khác, trong công thức (17) F có thể được loại bỏ bằng cách sử dụng hệ số nMF . Hệ số này đã bao gồm ảnh hưởng cách ly giữa các sàn. Khi đó công thức suy hao sẽ trở thành: 10 log (18)MFL S n d= + Phần iI: các mô hình truyền sóng chương IV: mô hình truyền sóng trong nhà Phạm Trọng Đại - 505102009 Khoa CNTT - ĐH phương đông 67 Devarsirvatham đã nhận thấy suy hao trong nhà có thể được mô hình hóa như suy hao trong không gian tự do và công thêm phần suy hao phụ có tính chất tăng hàm mũ theo khoảng cách. Do đó, công thức tính suy hao sẽ được sửa lại như sau: 10 log (19)SFL S n d d Fa= + + + Trong đó: a : là hằng số suy hao (dB/m). Các công thức tính suy hao trong nhà đã được Rappaport tổng hợp lại. Rappaport là nhà nghiên cứu hàng đầu trên thế giới về lĩnh vực truyền sóng indoor. Cuối cùng, xuất phát từ công thức cơ bản (12), Toledo và Turkmani đã tiến hành nghiên cứu có sử dụng thêm các yếu tố khác. Hai ông đưa ra công thức cuối cùng dự đoán suy hao đường truyền cho tần số 900MHz và 1800MHz, với máy phát đặt tại một sàn xác định trong tòa nhà cao tầng: 18.8 39.0 log 5.6 13.0 11.0 0.024r win fL d k S G A= + + + - - 24.5 33.8log 4.0 16.6 9.8 0.017 (20)r win fL d k S G A= + + + - - Trong đó: kf: Là số sàn giữa máy phát và máy thu. Swin: Là hệ số thể hiện cho mức năng lượng thoát ra và quay lại tòa nhà. Swin có giá trị 0 hoặc 1, phụ thuộc vào vị trí của máy thu. G: Thể hiện cho mức năng lượng tại hai tầng thấp nhất của tòa nhà. Af: Là diện tích sàn của phòng đặt máy thu. Đối với các phòng nằm cùng phía với máy phát, Swin =1, phía đối diện Swin = 0.25; phía vuông góc Swin = 0.5; Đối với các phòng bên trong, không có cửa sổ Swin =0. Phần iI: các mô hình truyền sóng chương IV: mô hình truyền sóng trong nhà Phạm Trọng Đại - 505102009 Khoa CNTT - ĐH phương đông 68 Hệ số G có giá trị bằng 1 đối với 2 tầng thấp hơn so với tầng đặt máy phát, và bằng 0 với các tầng khác. Vùng phủ sóng tốt nhất trong bất kỳ tòa nhà nào khi vị trí của máy phát nằm trong một phòng rộng và tại trung tâm của tòa nhà. b. Nghiên cứu lan truyền sóng với hệ thống băng rộng. Ngoài các nghiên cứu với hệ thống băng thông hẹp để tìm ra sự thay đổi cường độ tín hiệu so với khoảng cách, chúng ta cũng có một số nghiên cứu trên hệ thống băng thông rộng về đặc tính lan truyền của tín hiệu bên trong tòa nhà. Devarsirvatham đã sử dụng thiết bị hoạt động ở tần số 850MHz, có độ phân giải trễ lan truyền là 25ns (nghĩa là có thể phân biệt các đường truyền có chiều dài khác nhau 7,5m ) để tiến hành các phép đo về trề lan truyền của tín hiệu trong tòa nhà và khu dân cư. Thiết bị này cho thấy hình dạng chi tiết của hiện trạng trề công suất có ảnh hưởng rất ít đến hoạt động của hệ thống vô tuyến. Do vậy, các nghiên cứu sẽ tập trung vào trễ là trễ lan truyền. Nói chung, trễ của tín hiệu indoor sẽ rất nhỏ hơn so với tín hiệu lan truyền outdoor. Hình 20 thể hiện dạng trề trung bình trong một tòa nhà cao 6 tầng, diện tích rộng. Hình 21 thể hiện phân bố tích lũy của trễ lan truyền cho tòa nhà này và một tòa nhà văn phòng khác có 2 tầng với diện tích nhỏ hơn. Một hệ thống thông tin di động sẽ phải làm việc trong điều kiện trễ lan truyền tồi nhất, 250ns cho cả hai tòa nhà. Phần iI: các mô hình truyền sóng chương IV: mô hình truyền sóng trong nhà Phạm Trọng Đại - 505102009 Khoa CNTT - ĐH phương đông 69 Hình 4.7. Dạng trễ tín hiệu lan truyền trong một tòa nhà 6 tầng. Hình 4.8. Phân bố tích lũy của trễ lan truyền trong hai tòa nhà văn phòng Phần iI: các mô hình truyền sóng chương IV: mô hình truyền sóng trong nhà Phạm Trọng Đại - 505102009 Khoa CNTT - ĐH phương đông 70 Bultitude đã so sánh các đặc tính indoor tại tần số 900MHz và 1.75GHz sử dụng thiết bị có tham số giống với Devarsirvatham. Các phép đo được thực hiện tại một tòa nhà xây bằng gạch, cao 4 tầng, và một tòa nhà hiện đại xây bằng bê tông. Chúng ta có thể thấy được sự khác nhau trong kết quả đo, nhưng nó chịu ảnh hưởng nhiều về vị trí hơn là tần số làm việc. Trong một tòa nhà, trễ lan truyền RMS có giá trị lớn hơn một chút tại tần số 1.75GHz ở trên 90% vị trí được đo (28ns so với 26ns). Kết quả đo cũng cho thấy vùng phủ sóng trong cả hai tòa nhà là có bán kính nhỏ hơn tại tần số 1.75GHz so với tại tần số 900MHz. Một mô hình thống kê cho lan truyền nhiều tia tín hiệu trong nhà được tiến hành bởi Salah và Valenzuela trên tần số 1.5GHz sử dụng máy phát xung 10ns trong một tòa nhà kích thước trung bình. Kết quả của hai ông cho thấy, kênh thông tin indoor gần như tĩnh, nghĩa là chúng biến đổi rất chậm. Đặc tính tự nhiên và thống kê của đáp ứng xung được xem là độc lập với phân cực của tín hiệu phát và thu khi không tồn tại đường truyền thẳng LOS. Trễ lan truyền lớn nhất trong phòng từ 100 đến 200ns, nhưng thỉnh thoảng giá trị này đạt 300ns khi đo tại sảnh. Trễ lan truyền RMS đo được trong tòa nhà có giá trị trung bình 25ns, và có giá trị lớn nhất (tồi nhất) là 50ns (bằng 1/5 so với giá trị của Devarsirvatham đo trong tòa nhà rộng ). Cuối cùng, Rappaport, một lần nữa sử dụng các thiết bị đo tương tự, nghiên cứu lan truyền nhiều tia trong một nhà xưởng tại tần số 1300MHz. Ta thấy rõ sự khác nhau về mặt vật lý của các tòa nhà, về kỹ thuật xây dựng, về bố trí nội thất…sẽ là nguyên nhân làm cho đặc tính lan truyền tín hiệu sẽ khác nhau.Trên thực tế, ta thấy rằng hệ số suy hao n có giá trị xấp xỉ 2.2 và phading Racian là tiêu chuẩn. Trễ lan truyền RMS có giá trị từ 30 đến 300ns, và có giá trị trung bình là 96ns cho đường truyền LOS và 105ns cho đường truyền NLOS. Phần iI: các mô hình truyền sóng chương IV: mô hình truyền sóng trong nhà Phạm Trọng Đại - 505102009 Khoa CNTT - ĐH phương đông 71 RMS delay spread (ns) Investigator s Frequenc y Environ- ment Median value Standar d deviati on Worst case (ns) Propag ation law expone nt n Bultitude et al 910MHz 1.75 GHz Within brick and concrete office builings 26 – 30 28 – 29 8 – 11 17 – 22 Saleh and Valenzuela 1.5GHz Within office buildings 25 – 50 100– 200 3 – 4 Devasirvath am and Murphy 850MHz 1.7GHz Within office builings In the range 50 – 150 400 Rappaport 1.3GHz In factory buildings 96 (LOS) 105 (NLOS) 300 2.2 LOS = line of sight. NLOS = non line of sight. Bảng 4.3. Các tham số thực nghiệm từ các nghiên cứu về lan truyền sóng trong nhà. Phần iI: các mô hình truyền sóng chương IV: mô hình truyền sóng trong nhà Phạm Trọng Đại - 505102009 Khoa CNTT - ĐH phương đông 72 4.2. Mô hình giải tích truyền sóng trong nhà ( Ray tracing). Các mô hình lan truyền thường nhận ra rằng khi khi một vật thể nằm chắn trên đường truyền của tia sóng, thì tia sóng có thể phản xạ, tán xạ hoặc trong một số trường hợp bị khúc xạ xung quanh rìa của vật thể. Môi trường indoor chứa rất nhiều vật thể có cấu trúc phức tạp. Việc xác định đường đi của một tia sóng là điều khó thực hiện được. Để xác định đường đi của một tia sóng lan truyền từ máy phát đến máy thu, chúng ta có một số phương pháp nhưng hiệu quả nhất là phương pháp ray tracing (tìm vết). Phương pháp này dựa trên công nghệ xử lý ảnh. Ray tracing xem tất cả các vật cản như là vật phản xạ tiềm tàng và tính toán ảnh hưởng của chúng dựa trên xử lý ảnh. Đây là cách tiếp cận có tính phân tích kỹ lưỡng, yêu cầu tính đến tất cả các tia phát sinh do phản xạ hoặc khúc xạ. Do đó, với một môi trường đơn giản, thời gian tính toán sẽ ít. Với môi trường phức tạp, cơ sở dữ liệu về môi trường như công trình, số bức tường, cấu tạo, vật liệu…vô cùng lớn và thời gian tính toán lớn, phương pháp tính toán rất phức tạp. Do đó, vị trí giữa máy phát và máy thu được xác định trong tọa độ không gian 3 chiều. Cường độ của tia phản xạ và tia phát được tính toán thông qua kỹ thuật quang hình học. Tia khúc xạ được xử lý bằng một trong các kỹ thuật tiêu chuẩn, đó là UTD. Sự tồn tại hay không của một đường truyền LOS sẽ được xác định sau khi một nguồn tín hiệu giả được thiết lập. Dữ liệu ảnh sẽ được tạo ra bằng cách phản xạ nguồn tín hiệu giả lên tất cả bề mặt của vật cản có liên quan. Để mô phỏng quá trình này, một chuồi các bức tường được tạo ra. Hình 4.9 (b) là biểu đồ một phần của chuỗi bức tường (có cấu trúc hình cây) cho sơ đồ bố trí đơn giản hình 4.9 (a). Phần iI: các mô hình truyền sóng chương IV: mô hình truyền sóng trong nhà Phạm Trọng Đại - 505102009 Khoa CNTT - ĐH phương đông 73 Hình 4.9. Ví dụ đơn giản về mô hình lan truyền sóng indoor. Trong hình 4.9 (a), có bốn vật cản được bố trí để mô phỏng. Bức tường 1 là vật phản xạ thứ nhất, và đường đi của lần phản xạ thứ 3 được xét đến. Những lần phản xạ kế tiếp nhau trên cùng một bức tường là không có khả năng xảy ra và chúng không được đưa vào ví dụ này. Hình 4.9 (b) thể hiện có tất cả 13 khả năng của đường truyền cho bức tường 1 như là vật phản xạ thứ nhất (phản xạ lần 1 có 1, phản xạ lần 2 có 3, phản xạ lần 3 có 9). Các biểu đồ tương tự có thể được xác định cho bức tường thứ 2, 3 và 4. Như vậy sẽ có tổng số 52 khả năng của đường truyền xảy ra, cộng với 1 đường truyền thẳng trực tiếp LOS trong một ví dụ đơn giản và chỉ xét đến lần phản xạ thứ 3. Phần iI: các mô hình truyền sóng chương IV: mô hình truyền sóng trong nhà Phạm Trọng Đại - 505102009 Khoa CNTT - ĐH phương đông 74 Hình 4.10. Quá trình xử lý ảnh Hình 4.10 minh họa quá trình xử lý ảnh trong môi trường indoor. I1(w1) là ảnh của lần phản xạ thứ nhất lên bức tường 1. Có hai ảnh của lần phản xạ thứ 2. Đó là ảnh của I1(w1) phản xạ lên bức tường thứ 2 và thứ 3, được ký hiệu là I- 2(w2) và I2(w3). Các ảnh của những lần phản xạ tiếp theo được tạo ra một cách tương tự. Một bức tranh hoàn thiện sẽ thể hiện các ảnh của lần phản xạ thứ nhất lên bức tường 2 và 3, đồng thời các lần phản xạ tiếp theo. Đến đây ta đã tính toán được vị trí của các ảnh. Tiếp theo phần mềm sẽ kiểm tra xem liệu các ảnh đó có khả năng chứa các đường truyền hay không. Phần mềm sẽ bắt đầu tính toán từ các ảnh của lần phản xạ cao nhất và tính ngược đến máy phát. Các ảnh mà không chứa các đường truyền sẽ bị loại bỏ khỏi cơ sở dữ liệu trước khi việc tính toán lan truyền được thực hiện. Phần iI: các mô hình truyền sóng chương IV: mô hình truyền sóng trong nhà Phạm Trọng Đại - 505102009 Khoa CNTT - ĐH phương đông 75 Hình 4.11 (a) Điểm phản xạ P2 không tồn tại trên bức tường 2. (b) Điểm phản xạ P1 không tồn tại trên bức tường 1. Để miêu tả chi tiết hơn các điều kiện mà ta đang xét. Hình 4.11 (a) thể hiện trường hợp đơn giản với 2 bức tường. I1(w1) là ảnh lần phản xạ 1 của Tx lên bức tường 1 và I2(w2) là ảnh lần phản xạ 2, nghĩa là ảnh của I1(w1) lên bức tường 2. Chúng ta vẽ một đường thẳng nối giữa I2(w2) với máy thu để tạo nên điểm phản xạ thích hợp trên bức tường 2. Rõ ràng điểm P2 không nằm trung với bất cứ một điểm vật lý nào trên bức tường thứ hai, do vậy đường phản xạ kép Tx-w1- Phần iI: các mô hình truyền sóng chương IV: mô hình truyền sóng trong nhà Phạm Trọng Đại - 505102009 Khoa CNTT - ĐH phương đông 76 w2-Rx không tồn tại trong thực tế. Từ hình 4.11 (a) chúng ta thấy điều kiện cho một đường truyền tồn tại là điểm phản xạ P2 phải có vị trí vật lý trên bức tường 2. Đây chỉ là một khả năng khi mà Rx nằm trong miền được minh hoạ được xác định bởi I2(w2) và bức tường 2. Nhưng với điều kiện này, là cần nhưng chưa đủ. Hình 4.11 (b) minh họa điểm Rx nằm trong khu vực mô phỏng, nên đảm bảo rằng điểm phản xạ nằm trên bức tường thứ 2. Trong trường hợp này, điểm phản xạ nằm trên bức tường 1 lại nằm ngoài vùng vật lý của tường, do vậy một lần nữa đường truyền sẽ không tồn tại. Tuy nhiên, ta cũng thấy rõ được điều kiện cần thiết. Chúng ta sẽ thiết lập điểm phản xạ P2 nằm trong miền vật lý của bức tường 2, có điểm thu Rx nằm trong miền được mô phỏng. Điểm phản xạ P1 cần thiết trên bức tường 1 phải tồn tại để cung cấp điểm P2 nằm trong miền mô phỏng được xác định bởi I1(w1) và bức tường 1. Hình 4.11 (c) minh hoạ trường hợp này. Điều kiện cần và đủ để tồn tại một đường truyền là điểm P2 phải nằm trên phần của bức tường 2, phần nằm trong miền được xác định bởi I2(w2) với bức tường 2 và miền được xác định bởi I1(w1) và bức tường 1. Đây là phần tô đậm trong hình 4.11 (c). Nếu không có phần bức tường 2 rơi vào trong miền được xác định bởi I1(w1) và bức tường 1 thì đường truyền sẽ được xem như là không tồn tại cho bất cứ vị trí nào của Rx trong miền được mô phỏng. Nói chung, quá trình trên được áp dụng một cách đệ quy, bắt đầu từ Rx, được tính toán ngược lại Tx để xác định xem liệu mỗi điểm phản xạ cần thiết có tồn tại thực tế với bất kỳ đường truyền phản xạ nhiều lần nào không. Phần iI: các mô hình truyền sóng chương IV: mô hình truyền sóng trong nhà Phạm Trọng Đại - 505102009 Khoa CNTT - ĐH phương đông 77 Hình 4.11 (c) Tồn tại cả hai điểm phản xạ, vì vậy đường truyền được xác định. (d) Máy thu không nằm trong miền mô phỏng. Phần iI: các mô hình truyền sóng chương IV: mô hình truyền sóng trong nhà Phạm Trọng Đại - 505102009 Khoa CNTT - ĐH phương đông 78 Một hình ảnh minh họa sâu thêm trong hình 4.11 (c). Trong trường hợp này, cả hai điểm phản xạ đều tồn tại và đáp ứng các yêu cầu trên. Nhưng điểm thu Rx lại nằm sai phía của bức tường 2. Đây là một điểm chú ý là các ảnh này là của nguồn phát ảo được sử dụng để mô phỏng đường truyền bị phản xạ, nhưng các khu vực được xác định mô phỏng chỉ tồn tại ở phía bên kia so với ảnh (vùng mờ). Tuy nhiên hình 4.11 (d) chỉ miêu tả một đường truyền phản xạ đơn lẻ từ Tx đến Rx thông qua tường 1. Đối với các vị trí khác nhau của Rx, rất có thể sẽ có các đường phản xạ khác. Một ví dụ khác, chúng ta quay trở lại hình 4.10. Trong trường hợp này các bức tường 1 và 2 đáp ứng các điều kiện cần thiết. Bức tường 3 không tạo ra đường truyền. Nhưng vì bức tường 3 lại nằm trong miền xác định của I1(w1), đường thẳng nối I2(w2) và Rx sẽ không nằm t