Đề tài Nghiên cứu và thi công hệ thống phủ sóng di động trong tòa nhà cao tầng

truyền ngoài trời đƣợc phát triển và tối ƣu cho macrocell, và chúng không chính xác khi áp dụng cho microcell. Ngoài ra, việc dự đoán suy hao đƣờng truyền từ một trạm BTS bên ngoài đến một máy thu nằm bên trong tòa nhà sẽ chính xác hơn nếu nó đƣợc tính toán trực tiếp và không đơn thuần là sự mở rộng của các mô hình ngoài trời. Barry và Williamson đã đƣa 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 bƣớc 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 đƣa 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 đƣờng truyền thẳng LOS. Mô hình cho tần số 900 và 1800MHz nhƣ sau: L = -37,7 + 40logd + 17,6logAf –27,5SQ (2-15) L = -27,9 + 40logd + 23,3logAf – 20,9SQ (2-16) Sai số giữa công thức toán học trên với giá trị đo thực nghiệm là 2,4 và 2,2dB tƣơng ứng. Sai số này nhỏ hơn một chút so với kết quả nghiên cứu của Barry và Williamson. 2.6.2 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 hƣởng rất lớn bởi các đặc tính của tòa nhà nhƣ các bố trí vật dụng trong nhà, vật liệu dùng để xây dựng tƣờng, sàn nhà, trần nhà. Hệ thống thông tin vô tuyến trong nhà khác với hệ thống vô tuyến bình thƣờng ở hai yếu tố quan trọng sau: môi trƣờng can nhiễu và tốc độ phading. Môi trƣờng can nhiễu thƣờng gây ra bởi sự bức xạ của các thiết bị điện tử nhƣ máy tính. Mức nhiễu bên trong nhà này đôi khi lớn hơn bên ngoài. Hơn nữa, cƣờng độ tín hiệu thay Đồ án tốt nghiệp Trang 48 Chƣơng 2: Các mô hình truyền sóng. 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 tƣờng, trần nhà hoặc sàn nhà hay 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. Tốc độ phading chậm làm nó không thích hợp cho việc tính toán hoạt động của hệ thống. Có hai khả năng sau: thứ nhất, nếu ngƣời 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 hƣởng bởi phading. Trƣờng hợp này đƣợc 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 đƣợc. 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 hƣởng thứ cấp (nhƣ chuyển động của ngƣời, cửa bị đóng hoặc mở), những khả năng này thay đổi chậm theo thời gian. Sự hoạt động không nhƣ 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, phading nhiều tia và che khuất làm hạn chế vùng phủ sóng. Nhiễu có thể xuất phát từ tự nhiên, cũng có thể do con ngƣời, hoặc cũng có thể do các thuê bao khác trong một hệ thống nhiều thuê bao tạo ra. Nó làm hạn chế số lƣợng thuê bao cùng tồn tại trong một vùng phủ sóng. Các kỹ thuật nhƣ cấp kênh động, điều khiển công suất, thu phân tập có thể đƣợc sử dụng để hạn chế vấn đề này. 2.6.2.1 Đặc tính lan truyền. Một số các nghiên cứu đã đƣợc thực hiện để xác định các đặc tính lan truyền trong nhà, trong tòa nhà văn phòng, trong nhà xƣởng. Một trong số các nghiên cứu mới nhất, đƣợc 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 đƣợc thực hiện với máy phát công suất thấp 10mW. Kết quả nghiên cứu cho thấy suy hao đƣờng 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 đƣờng lan truyền của tín hiệu bị che chắn bởi đồ vật, thì đặc tính lan truyền sẽ bị ảnh hƣởng theo nhiều cách khác nhau và không có quy luật chung nào cả. Sự thay đổi tức thời Đồ án tốt nghiệp Trang 49 Chƣơng 2: Các mô hình truyền sóng. của tín hiệu rất gần với phân bố Rayleigh, đó là kết quả của quá trình tán xạ bởi sự che chắn của tƣờng, sàn, trần và đồ vật. Một quy luật liên quan giữa suy hao đƣờng truyền và khoảng cách từ máy phát đƣợc sử dụng để dự đoán cƣờng độ tín hiệu trong một tòa nhà có cấu trúc, nhƣng rất khó để đƣa ra đƣợc một công thức chung. Mô hình chính xác nhất để miêu tả đƣờng truyền thẳng thƣờng xảy ra tại các phòng có diện tích tƣơng đƣơng nhau, có cùng kiểu sắp xếp đồ đạc, có suy hao giống nhau của tƣờng 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. Motley and Keenan đã báo cáo kết quả nghiên cứu thực nghiệm của họ với môi trƣờng nghiên cứu là tòa nhà văn phòng nhiều tầng, tại tần số là 900 và 1700MHz. Một máy phát cầm tay di chuyển trong một phòng đƣợc 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 đƣa ra một công thức thể hiện mối quan hệ giữa công suất và khoảng cách nhƣ sau: P = P’ + kF = S + 10nlog d (2-17) Trong đó: F là suy hao tại mỗi tầng của tòa nhà. K là số tầng. P’ là tham số suy hao phụ thuộc tần số Bảng 2.3 đƣa ra giá trị của các tham số đƣợc đo thực nghiệm. Chúng ta thấy rằng hệ số n là tƣơng tự nhau cho cả hai tần số, nhƣng F và S lại có giá trị cao hơn 6 và 5 dB tại tần số 1700MHz. Kết quả này đã đƣợc kiểm tra lại trong các tòa nhà cao tầng khác. Ta thấy rằng tổng giá trị suy hao đƣờng 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. Bảng 2.3 Các tham số lan truyền trong tòa nhà. Tần số F (dB) S (dB) n 900MHz 10 16 4 1700MHz 16 21 3,5 Đồ án tốt nghiệp Trang 50 Chƣơng 2: Các mô hình truyền sóng. Các kết quả đo thực nghiệm khác cho thấy suy hao tín hiệu qua vách ngăn mềm là 3-4 dB, và suy hao qua tƣờng ngạch là 7-8dB. Giá trị suy hao qua các vật liệu trên thƣờng nhỏ hơn giá trị suy hao tín hiệu qua sàn nhà, vì sàn nhà thƣờng bằng bê tông có lƣới kim loại gia cố. Tại tần số 1700MHz có xu hƣớng bị giữ lại năng lƣợng 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 hƣởng bởi vật liệu xây dựng, số lƣợng và kích thƣớc cửa sổ, cũng nhƣ chủng loại kính. Môi trƣờng xung quanh tòa nhà cũng phải đƣợc xem xét, vì rõ ràng, năng lƣợng bên trong tòa nhà có thể lan truyền ra xa gây ảnh hƣởng và nhiễu với các tòa nhà xung quanh. Nó có thể phản xạ ngƣợc trở lại tòa nhà tại các tầng cao hoặc thấp hơn, phụ thuộc vào vị trí đặt anten và hƣớng 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 hƣởng 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, hình dƣới đây sẽ thống kê sự suy hao giữa truyền sóng bên trong tòa nhà và ngoài không gian tự do. Hình 2.7 Suy hao khác nhau giữa môi trƣờng không gian tự do và tòa cao ốc. (Tài liệu tham khảo [5]) Đồ án tốt nghiệp Trang 51 Chƣơng 2: Các mô hình truyền sóng. 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 đƣợc sử dụng cho hệ thống điện thoại vô tuyến số châu Âu DECT. Hệ thống này đƣợc thiết kế cho môi trƣờng kinh doanh và dân dụng. Hệ thống này cung cấp một chất lƣợng thoại tốt, cung cấp các ứng dụng về dữ liệu và thoại. Nó cho phép ngƣời 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, nhƣng dải tần 1700MHz có thể sử dụng đƣợc cho hệ thống điện thoại vô tuyến trong nhà. Trong bất cứ trƣờng hợp nào, số lƣợng trạm thu phát sóng sẽ phụ thuộc vào dung lƣợng và yêu cầu về chất lƣợng hoạt động, chứ nó không bị giới hạn vào vùng phủ sóng của tín hiệu. Trong tòa nhà, không gian đƣợc chia thành các phòng riêng biệt, phading thƣờng xuất hiện thành từng cụm, kéo dài trong vài giây với phạm vi dao động khoảng 30dB. Trong môi trƣờng văn phòng thoáng rộng, phading xuất hiện liên tục nhƣng lại có phạm vi dao động hẹp hơn, khoảng 17dB. Sự thay đổi đƣờng biên theo thời gian là Phading Racian với giá trị của K từ 6 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 phading, vì sự chuyển động này xuyên qua các khu vực có trƣờng điện từ biến đổi. Có một số công thức mở rộng của (2-1) trong mô hình suy hao tín hiệu trong nhà. L = S + 10n logd + Xd (2-18) Trong đó Xd là tham số lognormal (dB) với độ sai lệch tiêu chuẩn là . Anderson đã đƣa ra giá trị tiêu chuẩn của  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  nằm trong khoảng từ 3 đến 14dB. Seidel cũng đƣa ra các giá trị cho n và  cho các tòa nhà khác nhau. Các giá trị này đƣợc tìm ra thông qua các phép đo thực nghiệm tại rất nhiều vị trí. Các giá trị này đƣợc sử dụng để mô hình hóa lan truyền thông qua công thức sau: L = S + 10nSF logd + F (2-19) 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 đƣợc xác định bằng cách cộng thêm vào một giá trị thích hợp Đồ án tốt nghiệp Trang 52 Chƣơng 2: Các mô hình truyền sóng. cho hệ số suy hao F giữa các sàn. Một cách khác, trong công thức (2-19) F có thể đƣợc loại bỏ bằng cách sử dụng hệ số nMF . Hệ số này đã bao gồm ảnh hƣởng cách ly giữa các sàn. Khi đó công thức suy hao sẽ trở thành: L = S + 10nMF logd (2-20) Devarsirvatham đã nhận thấy suy hao trong nhà có thể đƣợc mô hình hóa nhƣ 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 đƣợc sửa lại nhƣ sau: L = S + 10nSFlogd + d + F (2-21) Trong đó,  là hằng số suy hao (dB/m). Các công thức tính suy hao trong nhà đã đƣợc 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 (2-14), Toledo và Turkmani đã tiến hành nghiên cứu có sử dụng thêm các yếu tố khác. Hai ông đƣa ra công thức cuối cùng dự đoán suy hao đƣờng truyền cho tần số 900 và 1800MHz, với máy phát đặt tại một sàn xác định trong tòa nhà cao tầng: L = 18.8 + 39.0logd + 5.6kr + 13.0Swin – 11.0G – 0.024Af L = 24.5 + 33.8logd + 4.0kr + 16.6Swin – 9.8G – 0.017Af (2-22) Trong đó, kf là số sàn giữa máy phát và máy thu. Swin là hệ số thể hiện cho mức năng lƣợng thoát ra và quay lại tòa nhà. Swin có giá trị là 0 hoặc 1, phụ thuộc vào vị trí của máy thu. G thể hiện cho mức năng lƣợng 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. 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. Đồ án tốt nghiệp Trang 53 Chƣơng 2: Các mô hình truyền sóng. 2.6.2.2 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 cƣờng 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 trề lan truyền là 25ns (nghĩa là có thể phân biệt các đƣờng truyền có chiều dài khác nhau 7,5m ) để tiến hành các phép đo về trễ lan truyền của tín hiệu trong tòa nhà và khu dân cƣ. Thiết bị này cho thấy hình dạng chi tiết của hiện trạng trễ công suất có ảnh hƣởng rất ít đến hoạt động của hệ thống vô tuyến. Do vậy, các nghiên cứu sẽ tập trung vào là trễ lan truyền. Nói chung, trễ của tín hiệu indoor sẽ rất nhỏ hơn so với tín hiệu lan truyền outdoor. Hình 2.8 thể hiện dạng trễ trung bình trong một tòa nhà cao 6 tầng, diện tích rộng. Hình 2.9 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 xấu nhất, 250ns cho cả hai tòa nhà. Hình 2.8 Dạng trễ tín hiệu lan truyền trong một tòa nhà 6 tầng. Đồ án tốt nghiệp Trang 54 Chƣơng 2: Các mô hình truyền sóng. Hình 2.9 Phân bố tích lũy trễ lan truyền trong hai tòa nhà văn phòng. (Tài liệu tham khảo[6]) 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 đƣợc thực hiện tại một tòa nhà xây bằng gạch, cao 4 tầng, và một tòa nhà hiện đại xây bằng bê tông, có thể thấy đƣợc sự khác nhau trong kết quả đo, nhƣng nó chịu ảnh hƣởng 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 đƣợc 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 đƣợc tiến hành bởi Salah và Valenzuela trên tần số 1.5GHz sử dụng máy phát xung 10ns trong một tòa nhà kích thƣớc trung bình. Kết quả của hai ông cho thấy, kênh thông tin indoor gần nhƣ tĩnh, nghĩa là chúng biến đổi rất chậm. Đặc tính tự nhiên và thống kê của đáp ứng xung đƣợc xem là độc lập với phân cực của tín hiệu phát và thu khi không tồn tại đƣờng truyền thẳng LOS. Trề lan truyền lớn nhất trong phòng từ 100 đến 200ns, nhƣng thỉnh thoảng giá trị này đạt 300ns khi đo tại sảnh. Trễ lan truyền RMS đo đƣợc trong tòa nhà có giá trị trung bình 25ns, và có giá trị lớn nhất Đồ án tốt nghiệp Trang 55 Chƣơng 2: Các mô hình truyền sóng. (xấu 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 tƣơng tự, nghiên cứu lan truyền nhiều tia trong một nhà xƣởng 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 đƣờng truyền LOS và 105ns cho đƣờng truyền NLOS. Bảng 2.4 Các tham số từ các nghiên cứu về lan truyền sóng trong nhà. (Tài liệu tham khảo[ 5 ]) 2.7 Mô hình giải tích truyền sóng trong nhà (Ray tracing). Các mô hình lan truyền thƣờng nhận ra rằng khi khi một vật thể nằm chắn trên đƣờng truyền của tia sóng, thì tia sóng có thể phản xạ, tán xạ hoặc trong một số trƣờng hợp bị khúc xạ xung quanh rìa của vật thể. Môi trƣờng indoor chứa rất nhiều vật thể có cấu trúc phức tạp. Việc xác định đƣờng đi của một tia sóng là điều khó thực hiện đƣợc. Đồ án tốt nghiệp Trang 56 Chƣơng 2: Các mô hình truyền sóng. Để xác định đƣờng đi của một tia sóng lan truyền từ máy phát đến máy thu, chúng ta có một số phƣơng pháp nhƣng hiệu quả nhất là phƣơng pháp ray tracing (tìm vết). Phƣơng pháp này dựa trên công nghệ xử lý ảnh. Ray tracing xem tất cả các vật cản nhƣ là vật phản xạ tiềm tàng và tính toán ảnh hƣởng của chúng dựa trên xử lý ảnh. Đây là cách tiếp cận có tính phân tích kỹ lƣỡng, yêu cầu tính đến tất cả các tia phát sinh do phản xạ hoặc khúc xạ. Do đó, với một môi trƣờng đơn giản, thời gian tính toán sẽ ít. Với môi trƣờng phức tạp, cơ sở dữ liệu về môi trƣờng nhƣ công trình, số bức tƣờng, cấu tạo, vật liệu…vô cùng lớn và thời gian tính toán lớn, phƣơng pháp tính toán rất phức tạp. Do đó, vị trí giữa máy phát và máy thu đƣợc xác định trong tọa độ không gian 3 chiều. Cƣờng độ của tia phản xạ và tia phát đƣợc tính toán thông qua kỹ thuật quang hình học. Tia khúc xạ đƣợc xử lý bằng một trong các kỹ thuật tiêu chuẩn, đó là UTD. Sự tồn tại hay không của một đƣờng truyền LOS sẽ đƣợc xác định sau khi một nguồn tín hiệu giả đƣợc thiết lập. Dữ liệu ảnh sẽ đƣợc tạo ra bằng cách phản xạ nguồn tín hiệu giả lên tất cả bề mặt của vật cản có liên quan. Để mô phỏng quá trình này, một chuỗi các bức tƣờng đƣợc tạo ra. Hình 2.10b là biểu đồ một phần của chuỗi bức tƣờng (có cấu trúc hình cây) cho sơ đồ bố trí đơn giản hình 2.10a. Đồ án tốt nghiệp Trang 57 Chƣơng 2: Các mô hình truyền sóng. Hình 2.10 Ví dụ đơn giản về mô hình lan truyền sóng indoor. Trong hình 2.10, có bốn vật cản đƣợc bố trí để mô phỏng. Bức tƣờng 1 là vật phản xạ thứ nhất, và đƣờng đi của lần phản xạ thứ 3 đƣợc xét đến. Những lần phản xạ kế tiếp nhau trên cùng một bức tƣờng là không có khả năng xảy ra và chúng không đƣợc đƣa vào ví dụ này. Hình 2.10b thể hiện có tất cả 13 khả năng của đƣờng truyền cho bức tƣờng 1 nhƣ 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 tƣơng tự có thể đƣợc xác định cho bức tƣờng thứ 2, 3 và 4. Nhƣ vậy sẽ có tổng số 52 khả năng của đƣờng truyền xảy ra, cộng với 1 đƣờng truyền thẳng trực tiếp LOS trong một ví dụ đơn giản và chỉ xét đến lần phản xạ thứ 3. Đồ án tốt nghiệp Trang 58 Chƣơng 2: Các mô hình truyền sóng. Hình 2.11 Quá trình xử lý ảnh. Hình 2.11 minh họa quá trình xử lý ảnh trong môi trƣờng indoor. I1(w1) là ảnh của lần phản xạ thứ nhất lên bức tƣờng 1. Có hai ảnh của lần phản xạ thứ 2. Đó là ảnh của I1(w1) phản xạ lên bức tƣờng thứ 2 và thứ 3, đƣợc ký hiệu là I2(w2) và I2(w3). Các ảnh của những lần phản xạ tiếp theo đƣợc tạo ra một cách tƣơng tự. Một bức tranh hoàn thiện sẽ thể hiện các ảnh của lần phản xạ thứ nhất lên bức tƣờng 2 và 3, đồng thời các lần phản xạ tiếp theo. Đến đây có thể tính toán đƣợc vị trí của các ảnh. Tiếp theo phần mềm sẽ kiểm tra xem liệu các ảnh đó có khả năng chứa các đƣờng truyền hay không. Phần mềm sẽ bắt đầu tính toán từ các ảnh của lần phản xạ cao nhất và tính ngƣợc đến máy phát. Các ảnh mà không chứa các đƣờng truyền sẽ bị loại bỏ khỏi cơ sở dữ liệu trƣớc khi việc tính toán lan truyền đƣợc thực hiện. Đồ án tốt nghiệp Trang 59 Chƣơng 2: Các mô hình truyền sóng. (a) (b) Hình 2.12 (a) Điểm phản xạ P2 không tồn tại trên bức tƣờng 2. (b) Điểm phản xạ P1 không tồn tại trên bức tƣờng 1. Để miêu tả chi tiết hơn các điều kiện mà ta đang xét. Hình 2.12a thể hiện trƣờng hợp đơn giản với 2 bức tƣờng. I1(w1) là ảnh lần phản xạ 1 của Tx lên bức tƣờng 1 và I2(w2) là ảnh lần phản xạ 2, nghĩa là ảnh của I1(w1) lên bức tƣờng 2. Chúng ta vẽ một đƣờng thẳng nối giữa I2(w2) với máy thu để tạo nên điểm phản xạ thích hợp Đồ án tốt nghiệp Trang 60 Chƣơng 2: Các mô hình truyền sóng. trên bức tƣờng 2. Rõ ràng điểm P2 không nằm trung với bất cứ một điểm vật lý nào trên bức tƣờng thứ hai, do vậy đƣờng phản xạ kép Tx-w1-w2-Rx không tồn tại trong thực tế. Từ hình 2.12a chúng ta thấy điều kiện cho một đƣờng truyền tồn tại là điểm phản xạ P2 phải có vị trí vật lý trên bức tƣờng 2. Đây chỉ là một khả năng khi mà Rx nằm trong miền đƣợc minh hoạ đƣợc xác định bởi I2(w2) và bức tƣờng 2. Nhƣng với điều kiện này, là cần nhƣng chƣa đủ. Hình 2.12b minh họa điểm Rx nằm trong khu vực mô phỏng, nên đảm bảo rằng điểm phản xạ nằm trên bức tƣờng thứ 2. Trong trƣờng hợp này, điểm phản xạ nằm trên bức tƣờng 1 lại nằm ngoài vùng vật lý của tƣờng, do vậy một lần nữa đƣờng truyền sẽ không tồn tại. Tuy nhiên, ta cũng thấy rõ đƣợc điều kiện cần thiết. Chúng ta sẽ thiết lập điểm phản xạ P2 nằm trong miền vật lý của bức tƣờng 2, có điểm thu Rx nằm trong miền đƣợc mô phỏng. Điểm phản xạ P1 cần thiết trên bức tƣờng 1 phải tồn tại để cung cấp điểm P2 nằm trong miền mô phỏng đƣợc xác định bởi I- 1(w1) và bức tƣờng 1. Hình 2.12c minh hoạ trƣờng hợp này. Điều kiện cần và đủ để tồn tại một đƣờng truyền là điểm P2 phải nằm trên phần của bức tƣờng 2, phần nằm trong miền đƣợc xác định bởi I2(w2) với bức tƣờng 2 và miền đƣợc xác định bởi I1(w1) và bức tƣờng 1. Đây là phần tô đậm trong hình 2.9c. Nếu không có phần bức tƣờng 2 rơi vào trong miền đƣợc xác định bởi I1(w1) và bức tƣờng 1 thì đƣờng truyền sẽ đƣợc xem nhƣ là không tồn tại cho bất cứ vị trí nào của Rx trong miền đƣợc mô phỏng. Nói chung, quá trình trên đƣợc áp dụng một cách đệ quy, bắt đầu từ Rx, đƣợc tính toán ngƣợc lại Tx để xác định xem liệu mỗi điểm phản xạ cần thiết có tồn tại thực tế với bất kỳ đƣờng truyền phản xạ nhiều lần nào không. Đồ án tốt nghiệp Trang 61 Chƣơng 2: Các mô hình truyền sóng. (c) (d) Hình 2.13 (c) Tồn tại cả hai điểm phản xạ, vì vậy đƣờng truyền đƣợc xác định. (d) Máy thu không nằm trong miền mô phỏng. Đồ án tốt nghiệp Trang 62 Chƣơng 2: Các mô hình truyền sóng. Một hình ảnh minh họa sâu thêm trong hình 2.13c. Trong trƣờng hợp này, cả hai điểm phản xạ đều tồn tại và đáp ứng các yêu cầu trên. Nhƣng điểm thu Rx lại nằm sai phía của bức tƣờng 2. Đây là một điểm chú ý là các ảnh này là của nguồn phát ảo đƣợc sử dụng để mô phỏng đƣờng truyền bị phản xạ, nhƣng các khu vực đƣợc xác định mô phỏng chỉ tồn tại ở phía bên kia so với ảnh (vùng mờ). Tuy nhiên hình 2.12d chỉ miêu tả một đƣờng truyền phản xạ đơn lẻ từ Tx đến Rx thông qua tƣờng 1. Đối với các vị trí khác nhau của Rx, rất có thể sẽ có các đƣờng phản xạ khác. Một ví dụ khác, quay trở lại hình 2.11. Trong trƣờng hợp này các bức tƣờng 1 và 2 đáp ứng các điều kiện cần thiết. Bức tƣờng 3 không tạo ra đƣờng truyền. Nhƣng vì bức tƣờng 3 lại nằm trong miền xác định của I1(w1), đƣờng thẳng nối I2(w2) và Rx sẽ không nằm trong miền xác định của I2(w3). Để nâng cao hiệu suất tính toán trong thực tế, các điều kiện cụ thể đƣợc đƣa vào. Ví dụ, sẽ không có đƣờng truyền trải qua quá n lần phản xạ hoặc có cƣờng độ nhỏ hơn X dB so với cƣờng độ mạnh nhất. Tóm lại, hơn một thập kỷ qua chúng ta có rất nhiều nghiên cứu quan trọng cho việc mô hình hóa lan truyền tín hiệu macrocell và picrocell indoor. Độ chính xác phụ thuộc chủ yếu vào tính sẵn sàng của cơ sở dữ liệu cập nhật thƣờng xuyên và kỹ thuật tính toán. Các thuộc tính điện của vật liệu tự nhiên và nhân tạo đƣợc sử dụng để xây dựng tƣờng, cửa ra vào, cửa sổ… cũng đƣợc xem xét chính xác. (Tài liệu tham khảo[ 6]) Đồ án tốt nghiệp Trang 63 Chƣơng 3: Các hệ thống anten. CHƢƠNG 3 CÁC HỆ THỐNG ANTEN 3.1 Giới thiệu tổng quan về anten, hệ thống anten: Nghiên cứu về các vấn đề liên quan đến anten có phạm vi rất rộng. Trong chƣơng này, ngƣời thực hiện đồ án chỉ muốn đề cập một cách ngắn gọn các vấn đề về hoạt động và các tham số đặc tính của anten. Trƣớc tiên, anten đƣợc định nghĩa là thiết bị bức xạ và thu nhận năng lƣợng sóng vô tuyến. Anten là một thiết bị tƣơng hỗ, nghĩa là anten có thể đƣợc sử dụng đồng thời nhƣ nhau cho cả phía phát và phía thu. Cấu trúc của anten đƣợc thiết kế để sao cho có khả năng chuyển đổi giữa sóng dẫn và sóng tự do. Sóng dẫn bị giam cầm trong môi trƣờng giới hạn của đƣờng truyền dẫn để truyền tín hiệu từ một điểm này đến một điểm khác. Trong khi đó, sóng tự do đƣợc bức xạ không có giới hạn trong không gian. Một đƣờng truyền dẫn đƣợc thiết kế để có đƣợc sự suy hao bức xạ là thấp nhất, trong khi anten đƣợc thiết kế sao cho đạt đƣợc độ bức xạ là cực đại. Sự bức xạ xảy ra khi đƣờng truyền dẫn 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 đƣợc phát vào trong không gian tự do thông qua anten. Tín hiệu đƣợc lan truyền trong không gian và một phần nhỏ tín hiệu sẽ đƣợc thu lại bởi anten thu. Tín hiệu sau đó sẽ đƣợc khuếch đại, chuyển đổi và xử lý để khôi phục lại thông tin. Không gian xung quanh một anten đƣợc chia thành 3 miền tùy theo đặc tính của trƣờng bức xạ. Vì trƣờng bức xạ thay đổi giữa các miền liên tục nên việc phân định ranh giới giữa các miền là khó khăn. + Trƣờng gần phản xạ lại là miền gần anten nhất. Trong trƣờng này, năng lƣợng không đƣợc bức xạ mà đƣợc khôi phục và bức xạ ngƣợc liên tục tạo thành dao động. Ngoài ra, thành phần só