Đồ án Tốt nghiệp mô hình phủ sóng và giao thoa

îc øng dông vµo c¸c cell lín (macro Cell) víi chiÒu cao lín cña cét anten BTS. KÕt qu¶ lµ, c¸c m« h×nh nµy kh«ng thÓ ¸p dông vµo c¸c hÖ thèng ®ang ®­îc PhÇn iI: c¸c m« h×nh truyÒn sãng ch­¬ng III: mét sè m« h×nh truyÒn sãng Ph¹m Träng §¹i - 505102009 Khoa CNTT - §H ph­¬ng ®«ng 49 triÓn khai hiÖn nay, víi ®­êng truyÒn ng¾n h¬n 1km vµ rÊt hiÕm ®­êng truyÒn th¼ng trùc tiÕp LOS. M« h×nh COST231-Walfish-Ikegami ­íc l­îng suy hao ®­êng truyÒn trong m«i tr­êng ®« thÞ, víi d¶i tÇn lµm viÖc tõ 800 ®Õn 2000MHz. M« h×nh nµy ®­îc ¸p dông cho c¶ ®­êng truyÒn th¼ng LOS vµ ®­êng truyÒn gi¸n tiÕp NLOS. §èi víi ®­êng truyÒn LOS, m« h×nh sÏ ®­îc chuyÓn ®æi vÒ lan truyÒn trong kh«ng gian tù do. §èi víi ®­êng truyÒn NLOS, m« h×nh sÏ ®­îc bæ sung thªm 2 ®iÒu kiÖn vÒ suy hao. §iÒu kiÖn thø nhÊt lµ suy hao nhiÒu bÒ mÆt, nguyªn nh©n g©y ra bëi tÝn hiÖu lan truyÒn tõ BTS qua c¸c m¸i nhµ. §iÒu kiÖn thø hai g©y ra bëi suy hao khóc x¹ vµ t¸n x¹ t¹i m¸i, c¹nh tßa nhµ, gãc phè n¬i m¸y mobile ®ang ë ®ã. Cã 3 thµnh phÇn cÇn quan t©m ®Õn trong m« h×nh: - Suy hao lan truyÒn trong kh«ng gian tù do Lfs - Suy hao nhiÒu bÒ mÆt Lms - Suy hao khóc x¹ vµ t¸n x¹ tõ m¸i nhµ ®Õn ®­êng phè Lrts. §iÒu kiÖn øng dông cña m« h×nh lµ cho ®­êng truyÒn sãng v« tuyÕn trong khu vùc ®« thÞ. - TÇn sè lµm viÖc fC : 800 ®Õn 2000MHz. - ChiÒu cao cét anten BTS hb : 4 ®Õn 50m. - ChiÒu cao anten MS hm : 1 ®Õn 3m. - Kho¶ng c¸ch tõ BTS ®Õn MS: 20 ®Õn 5km. C«ng thøc COST231-Walfish-Ikegami : Lfs + Lms + Lrts LCOST = Lfs NÕu Lms + Lrts < 0 (3-3) Chó ý: khi suy hao do khóc x¹ vµ suy hao bÒ mÆt nhá h¬n hoÆc b»ng 0, th× m« h×nh sÏ chuyÓn vÒ suy hao lan truyÒn trong kh«ng gian tù do. PhÇn iI: c¸c m« h×nh truyÒn sãng ch­¬ng III: mét sè m« h×nh truyÒn sãng Ph¹m Träng §¹i - 505102009 Khoa CNTT - §H ph­¬ng ®«ng 50 Tr­íc khi kiÓm tra l¹i c«ng thøc, chóng ta ph¶i ®Þnh nghÜa mét sè tham sè phô ®­îc sö dông trong c«ng thøc. - §é réng cña ®­êng phè W (m). - Kho¶ng c¸ch gi÷a c¸c tßa nhµ däc theo ®­êng truyÒn b (m). - ChiÒu cao cña tßa nhµ hroof (m). - Dhm = hroof – hm ; Dhb = hb - hroof - Gãc tíi t¹o víi chiÒu cña ®­êng phè j (®é). C¸c c«ng thøc tÝnh suy hao chÝnh: Suy hao trong kh«ng gian tù do: Lfs = L (dB) = 32.44 + 20logf(MHz) + 20logd(km) Suy hao khóc x¹ vµ t¸n x¹: Lrts = -16,9 – 10logW + 10logfC + 20logDhm + Lj . Suy hao ®a bÒ mÆt: Lms = Lbsh + ka + kdlogd + kplogfC – 9logb. C¸c tham sè phô trong m« h×nh. Suy hao h­íng phè: 00 00 00 9055 5535 350 )55(114,00,4 )35(075,05,2 345,010 << << << ï î ï í ì -- -+ +- = j j j j j j khi khi khi Lori PhÇn iI: c¸c m« h×nh truyÒn sãng ch­¬ng III: mét sè m« h×nh truyÒn sãng Ph¹m Träng §¹i - 505102009 Khoa CNTT - §H ph­¬ng ®«ng 51 H×nh 3.3: C¸c tham sè trong m« h×nh Walfish- Ikegami. B¶ng 3.2: C¸c gi¸ trÞ ngÇm ®Þnh c¸c tham sè trong m« h×nh Tham sè ý nghÜa Gi¸ trÞ b Kho¶ng c¸ch gi÷a c¸c tßa nhµ. 20 ®Õn 50m w §é réng ®­êng phè b/2 hroof ChiÒu cao tßa nhµ 3m x sè tÇng j Gãc tíi 90 ®é PhÇn iI: c¸c m« h×nh truyÒn sãng ch­¬ng IV: m« h×nh truyÒn sãng trong nhµ Ph¹m Träng §¹i - 505102009 Khoa CNTT - §H ph­¬ng ®«ng 52 Ch­¬ng IV M« h×nh truyÒn sãng trong nhµ 4.1. C¸c m« h×nh thùc nghiÖm. 4.1.1. TruyÒn sãng bªn ngoµi vµo bªn trong tßa nhµ. Trong nh÷ng n¨m gÇn ®©y, c«ng nghÖ th«ng tin di ®éng ®¸nh dÊu sù ph¸t triÓn bïng næ cña c¸c thiÕt bÞ di ®éng c¸ nh©n c¶ vÒ sè l­îng lÉn chñng lo¹i. viÖc lËp kÕ ho¹ch trong m¹ng viÔn th«ng lµ vÊn ®Ò cÇn thiÕt ®Ó theo kÞp víi sù ph¸t triÓn nµy. Trong th«ng tin di ®éng, c¸c nhµ chuyªn m«n lÊy yÕu tè suy hao ®­êng truyÒn tÝn hiÖu trong tßa nhµ ®Ó ®¸nh gi¸ chÊt l­îng cho tõng m¹ng di ®éng. C¸c vÊn ®Ò cña m« h×nh lan truyÒn tÝn hiÖu trong nhµ rÊt kh¸c nhau vµ phøc t¹p. Cô thÓ lµ: §ã lµ m«i tr­êng truyÒn dÉn 3 chiÒu. Bëi v× víi mét kho¶ng c¸ch x¸c ®Þnh tõ BTS ®Õn MS, chóng ta ph¶i quan t©m ®Õn yÕu tè chiÒu cao, nã phô thuéc vµo sè tÇng cña tßa nhµ. Trong khu vùc thµnh thÞ, chung ta dÔ nhËn thÊy r»ng tÝn hiÖu sÏ cã ®­êng truyÒn th¼ng LOS tõ BTS ®Õn MS khi MS ®ang ë c¸c tÇng cao cña tßa nhµ, trong khi nÕu MS ë c¸c tÇng thÊp hay trªn phè, ®­êng truyÒn LOS rÊt khã ®¹t ®­îc. M«i tr­êng truyÒn dÉn bªn trong tßa nhµ trong ®ã chøa nhiÒu vËt c¶n. nh÷ng vËt c¶n nµy lµm tõ nhiÒu lo¹i vËt liÖu kh¸c nhau, vµ cã vÞ trÝ gÇn víi m¸y di ®éng. Víi m«i tr­êng nh­ vËy, ®Æc tÝnh lan truyÒn cña tÝn hiÖu sÏ thay ®æi rÊt nhiÒu so víi m«i tr­êng ngoµi trêi. Chóng ta ®· cã rÊt nhiÒu c¸c c«ng tr×nh nghiªn cøu vÒ lan truyÒn tÝn hiÖu tõ ngoµi vµo bªn trong tßa nhµ, ®Æc biÖt víi c¸c d¶i tÇn sè sö dông cho m¹ng di ®éng. C¸c c«ng tr×nh nghiªn cøu nµy chia thµnh hai lo¹i sau: - Lo¹i thø nhÊt nghiªn cøu trong m«i tr­êng cã chiÒu cao tr¹m BTS tõ 3 ®Õn 9m vµ m¸y di ®éng chñ yÕu di chuyÓn trong c¸c tßa nhµ cao 1 hoÆc 2 tÇng n»m ë vïng ngo¹i «. PhÇn iI: c¸c m« h×nh truyÒn sãng ch­¬ng IV: m« h×nh truyÒn sãng trong nhµ Ph¹m Träng §¹i - 505102009 Khoa CNTT - §H ph­¬ng ®«ng 53 H×nh 4.1. Tr¹m BTS dïng ë ngo¹i « - Lo¹i thø hai nghiªn cøu trong m«i tr­êng cã chiÒu cao tr¹m BTS t­¬ng ®­¬ng víi trong m¹ng di ®éng cellular vµ m¸y di ®éng di chuyÓn trong c¸c tßa nhµ cao tÇng. H×nh 4.2. Tr¹m BTS dïng cho nhµ cao tÇng PhÇn iI: c¸c m« h×nh truyÒn sãng ch­¬ng IV: m« h×nh truyÒn sãng trong nhµ Ph¹m Träng §¹i - 505102009 Khoa CNTT - §H ph­¬ng ®«ng 54 C¸c nghiªn cøu cho lo¹i thø nhÊt xuÊt ph¸t tõ hÖ thèng ®iÖn tho¹i v« tuyÕn cÇm tay v× hÖ thèng nµy phôc vô cho mét sè l­îng lín c¸c thiÕt bÞ cÇm tay c«ng suÊt thÊp, cã b¸n kÝnh cell nhá (<1km). Trong hÖ thèng nµy, viÖc phñ sãng cho mét tßa nhµ cao tÇng ®­îc thùc hiÖn th«ng qua rÊt nhiÒu cell nhá n»m trong tßa nhµ. §ã lµ lý do t¹i sao c¸c nghiªn cøu l¹i sö dông chiÒu cao cña anten thÊp, kho¶ng c¸ch tõ BTS ®Õn MS nhá h¬n 1km, vµ c¸c phÐp ®o ®­îc tiÕn hµnh trong nhµ. Trong m¹ng th«ng tin di ®éng cellular, anten cña c¸c tr¹m thu ph¸t macrocell th­êng ®­îc ®Æt trªn m¸i nhµ cña tßa nhµ cao tÇng nªn th­êng cã chiÒu cao tõ 60 ®Õn 100m so víi mÆt ®Êt vµ b¸n kÝnh cell lín nhÊt cã thÓ tíi 30km. Do vËy chóng ta kh«ng thÓ ¸p dông c¸c kÕt qu¶ nghiªn cøu cña lo¹i thø nhÊt vµo hÖ thèng nµy. Tuy nhiªn, c¸c nghiªn cøu nµy còng chØ ra r»ng tÝn hiÖu trong c¸c khu vùc nhá nh­ trong tßa nhµ cã fading Rayleigh ph©n bè xÊp xØ víi fading hµm log. Nãi c¸ch kh¸c, hµm thèng kª tÝn hiÖu trong tßa nhµ cã thÓ ®­îc m« h×nh nh­ lµ sù xÕp chång cña qu¸ tr×nh small – scale (Rayleigh) vµ large – scale (lognormal) lµ c¸c m« h×nh truyÒn sãng ngoµi trêi cho khu vùc thµnh thÞ. Møc tÝn hiÖu lu«n thay ®æi theo chiÒu cao cña anten vµ chÞu ¶nh h­ëng cña sù ph¶n x¹ mÆt ®Êt. C¸c kÕt qu¶ nghiªn cøu ®· ®­a ra c«ng thøc suy hao cña tÝn hiÖu: 10 log (12)L S n d= + ´ Trong ®ã: S lµ h»ng sè, S = 32.0 @ 900MHz S = 38.0 @ 1800MHz d lµ kho¶ng c¸ch gi÷a m¸y ph¸t vµ m¸y thu. C¸c phÐp ®o thùc nghiÖm ®­îc thùc hiÖn b»ng c¸ch sö dông mét m¸y thu ®­îc ®Æt cè ®Þnh vµ mét m¸y ph¸t cÇm tay di chuyÓn kh¾p mäi vÞ trÝ trong tßa nhµ, ®· cho thÊy gi¸ trÞ cña tham sè n trong c«ng thøc (12) sÏ lµ: - Bªn ngoµi tßa nhµ lµ: 4.5 PhÇn iI: c¸c m« h×nh truyÒn sãng ch­¬ng IV: m« h×nh truyÒn sãng trong nhµ Ph¹m Träng §¹i - 505102009 Khoa CNTT - §H ph­¬ng ®«ng 55 - T¹i tÇng 1 lµ: - 3.9 - T¹i tÇng 2 lµ: -3.0 - T¹i tÇng hÇm lµ: - 2.5 Trong khi ®ã, c¸c nghiªn cøu cña lo¹i thø hai l¹i liªn quan ®Õn c¸c ®Æc tÝnh thèng kª cña suy hao trong nhµ. Mét c«ng tr×nh ®Çu tiªn ®­îc giíi thiÖu bëi Rice, ®· chØ ra sù kh¸c nhau gi÷a tÝn hiÖu trung b×nh t¹i tÇng kh¶o s¸t cña tßa nhµ víi møc tÝn hiÖu trung b×nh bªn ngoµi tßa nhµ, trªn phè n»m kÒ víi tßa nhµ. Râ rµng lµ cã hai kh¶ n¨ng x¶y ra, hoÆc lµ ta cã thÓ thùc hiÖn c¸c phÐp ®o trªn ®­êng phè n»m xung quanh tßa nhµ ®Ó t×m ®­îc møc tÝn hiÖu trung b×nh bªn ngoµi tßa nhµ, nh­ Rice ®· ®­a ra, hoÆc lµ ta cã thÓ lÊy kÕt qu¶ cña phÐp ®o tøc thêi bªn ngoµi tßa nhµ t¹i vÞ trÝ n»m trªn ®­êng th¼ng nèi tõ t©m tßa nhµ ®Õn vÞ trÝ m¸y ph¸t. Ph­¬ng ph¸p thø hai sÏ chÝnh x¸c h¬n nÕu tån t¹i mét ®­êng truyÒn LOS gi÷a m¸y ph¸t vµ tßa nhµ. Nh­ng tr­êng hîp nµy rÊt Ýt kh¶ n¨ng v× tÝn hiÖu truyÒn vµo trong tßa nhµ qua rÊt nhiÒu ®­êng truyÒn t¸n x¹, nªn ph­¬ng ph¸p mét mang tÝnh thùc tiÔn h¬n. Ph­¬ng ph¸p ph©n tÝch sè liÖu còng rÊt kh¸c nhau. MÆc dï trong hÇu hÕt c¸c nghiªn cøu, tÝn hiÖu ®­îc lÊy mÉu t¹i theo tõng kho¶ng thêi gian vµ tõng vÞ trÝ. Nh­ng nh×n chung, c¸c ph­¬ng ph¸p kh¸c nhau nµy kh«ng lµm ¶nh h­ëng ®Õn gi¸ trÞ trung b×nh phÐp ®o suy hao tÝn hiÖu trong tßa nhµ. V× nh÷ng lÝ do nµy, chóng ta ®«i khi rÊt khã so s¸nh kÕt qu¶ cña c¸c c«ng tr×nh nghiªn cøu. Suy hao phô thuéc rÊt nhiÒu c¸c yÕu tè, nh­ng chñ yÕu lµ phô thuéc vµo tÇn sè, ®iÒu kiÖn lan truyÒn vµ chiÒu cao cña m¸y thu trong tßa nhµ. Tuy nhiªn, mét sè yÕu tè kh¸c còng cã ¶nh h­ëng ®Õn suy hao tÝn hiÖu nh­ h­íng cña tßa nhµ so víi anten BTS, cÊu tróc tßa nhµ (vËt liÖu x©y nhµ, sè l­îng vµ kÝch th­íc cöa sæ) vµ c¸ch bè trÝ vËt dông trong tßa nhµ. Trong hÇu hÕt c¸c m« h×nh ®Ó dù ®o¸n c­êng ®é tÝn hiÖu trong tßa nhµ ®Òu sö dông ph­¬ng ph¸p kü thuËt ®­îc ®­a ra bëi Rice. Cô thÓ lµ tr­íc tiªn, chóng ta dù ®o¸n møc tÝn PhÇn iI: c¸c m« h×nh truyÒn sãng ch­¬ng IV: m« h×nh truyÒn sãng trong nhµ Ph¹m Träng §¹i - 505102009 Khoa CNTT - §H ph­¬ng ®«ng 56 hiÖu trung b×nh trªn c¸c con phè n»m xung quanh tßa nhµ, sau ®ã céng thªm phÇn suy hao bëi tßa nhµ. Mét nghiªn cøu kh¸c cña Barry vµ Williamson – New Zealand tËp trung nghiªn cøu vµo tßa nhµ, t¹i c¸c tÇng chÝnh cã ®­êng truyÒn th¼ng tíi tr¹m thu ph¸t gèc BTS. Hai «ng ®· sö dông c¸c tiªu chuÈn t­¬ng tù nh­ viÖc tÝnh to¸n trong m«i tr­êng giao th«ng. Ph­¬ng ph¸p m« t¶ thèng kª cña Suzuki cho thÊy tÝn hiÖu trªn bÊt cø tÇng nhµ nµo t¹i tÇn sè 900MHz cã ®é lÖch tiªu chuÈn lµ 6.7dB. M« h×nh còng cho r»ng suy hao qua cöa sæ cã « kÝnh nhá cã gi¸ trÞ lµ 10dB. C¸c nghiªn cøu thùc nghiÖm t¹i Anh cho tÇn sè 441, 896.5 vµ 1400MHz ®· cho ra cïng mét kÕt qu¶ vÒ sù thay ®æi tÝn hiÖu, t­¬ng tù nh­ nh÷ng nghiªn cøu ë trªn. C¸c nghiªn cøu nµy ®­a ra c¸ch nh×n vÒ b¶n chÊt ¶nh h­ëng cña ®iÒu kiÖn lan truyÒn ®Õn ®é sai lÖch tiªu chuÈn. B¶ng 4.1 ®­a ra gi¸ trÞ suy hao x©m nhËp cho 3 tÇn sè tÝn hiÖu kh¸c nhau khi m¸y thu ë c¸c vÞ trÝ kh¸c nhau cña mét tßa nhµ 6 tÇng hiÖn ®¹i. Gi¸ trÞ suy hao t¨ng kho¶ng 1.5dB khi tÇn sè thay ®æi tõ 441 lªn 896.5MHz vµ kho¶ng 4.3dB khi tÇn sè t¨ng lªn 1400MHz. C¸c phÐp ®o thö kh¸c nhau ®­îc thùc hiÖn trong tßa nhµ lín, cã tÇng hÇm th× gi¸ trÞ suy hao lµ 14.2, 13.4 vµ 12.8 t­¬ng øng víi c¸c tÇn sè 900, 1800 vµ 2300MHz. §èi víi c¸c nhµ thiÕt kÕ hÖ thèng, sù suy hao tÝn hiÖu t¹i tÇng hÇm lµ rÊt quan träng. Bëi v× nÕu mét hÖ thèng ®­îc thiÕt kÕ mµ ®¹t ®­îc chÊt l­îng tèt nhÊt t¹i tÇng hÇm th× chÊt l­îng t¹i c¸c tÇng trªn cña tßa nhµ còng sÏ tèt. Chóng ta còng ph¶i nhÊn m¹nh mét ®iÒu lµ, tæng suy hao tÝn hiÖu lan truyÒn tõ tr¹m BTS ®Õn MS ®­îc chia ra lµm hai thµnh phÇn: mét lµ suy hao tÝn hiÖu tõ BTS ®Õn vÞ trÝ xung quanh tßa nhµ; thø hai lµ suy hao cña tÝn hiÖu khi x©m nhËp vµo tßa nhµ. Sù ph©n chia nµy t¹o thuËn lîi khi chóng ta ­íc l­îng suy hao cña tÝn hiÖu. Theo c¸c kÕt qu¶ nghiªn cøu ë trªn, suy hao x©m nhËp vµo tßa nhµ vµ suy hao trong kh«ng khÝ cña tÝn hiÖu t¨ng tØ lÖ thuËn víi tÇn sè. PhÇn iI: c¸c m« h×nh truyÒn sãng ch­¬ng IV: m« h×nh truyÒn sãng trong nhµ Ph¹m Träng §¹i - 505102009 Khoa CNTT - §H ph­¬ng ®«ng 57 Suy hao x©m nhËp Sè tÇng 441.0 MHz 896.5 MHz 1400.0 MHz TÇng trÖt 16.37 11.61 7.56 TÇng 1 8.11 8.05 4.85 TÇng 2 12.76 12.50 7.98 TÇng 3 13.76 11.18 9.11 TÇng 4 11.09 8.95 6.04 TÇng 5 5.42 5.98 3.31 TÇng 6 4.20 5.23 5.24 B¶ng 4.1 Gi¸ trÞ suy hao x©m nhËp theo sè tÇng. C¸c ®iÒu kiÖn cña m«i tr­êng truyÒn dÉn còng cã ¶nh h­ëng rÊt lín ®Õn gi¸ trÞ sai lÖch chuÈn vµ còng ¶nh h­ëng ®Õn gi¸ trÞ gèc cña hµm ph©n bè lognormal. H×nh 4.3 chØ ra r»ng, khi tÝn hiÖu kh«ng cã ®­êng truyÒn th¼ng LOS, sù thay ®æi cña tÝn hiÖu theo tØ lÖ lín (large-scale) sÏ tu©n theo sù ph©n bè lognormal vµ khi ®ã gi¸ trÞ sai lÖch chuÈn sÏ lµ 4dB. Trong tr­êng hîp kh¸c, khi tÝn hiÖu tån t¹i ®­êng truyÒn th¼ng ®Õn toµn bé tßa nhµ hoÆc mét phÇn cña tßa nhµ, th× sù thay ®æi cña tÝn hiÖu theo tØ lÖ lín (large-scale) sÏ xuÊt ph¸t tõ mét gi¸ trÞ nµo ®ã cña hµm lognormal vµ gi¸ trÞ sai lÖch chuÈn sÏ cao h¬n. §èi víi m«i tr­êng truyÒn dÉn hoµn toµn LOS, gi¸ trÞ sai lÖch chuÈn sÏ lµ 6 – 7dB. PhÇn iI: c¸c m« h×nh truyÒn sãng ch­¬ng IV: m« h×nh truyÒn sãng trong nhµ Ph¹m Träng §¹i - 505102009 Khoa CNTT - §H ph­¬ng ®«ng 58 H×nh 4.3 Ph©n bè tÝch lòy cña sù thay ®æi tÝn hiÖu t¹i tÇn sè 900MHz trong tßa nhµ kh«ng cã ®­êng truyÒn LOS. : gi¸ trÞ ®o : gi¸ trÞ lý thuyÕt cña ph©n bè lognormal víi ®é lÖch chuÈn 4dB. Tãm l¹i, gi¸ trÞ sai lÖch chuÈn cña tÝn hiÖu cã liªn quan ®Õn diÖn tÝch cña sµn, víi sµn cã diÖn tÝch nhá th× gi¸ trÞ sai lÖch chuÈn còng sÏ nhá vµ ng­îc l¹i. Suy hao x©m nhËp sÏ gi¶m khi MS di chuyÓn lªn c¸c tÇng cao cña tßa nhµ, v× sÏ cã nhiÒu ®­êng truyÒn LOS ®Õn c¸c tÇng cao h¬n lµ c¸c vÞ trÝ thÊp trªn c¸c con phè xung quanh tßa nhµ. PhÇn iI: c¸c m« h×nh truyÒn sãng ch­¬ng IV: m« h×nh truyÒn sãng trong nhµ Ph¹m Träng §¹i - 505102009 Khoa CNTT - §H ph­¬ng ®«ng 59 H×nh 4.4. Mèi quan hÖ gi÷a suy hao x©m nhËp vµ sè tÇng tßa nhµ. Tuy nhiªn, còng cã nh÷ng tr­êng hîp c¸ biÖt, ®ã lµ gi¸ trÞ suy hao x©m nhËp l¹i t¨ng lªn cïng víi sè tÇng cña tßa nhµ. §iÒu nµy g©y ra bëi ®iÒu kiÖn m«i tr­êng lan truyÒn ®Æc biÖt tån t¹i gi÷a BTS vµ MS. H×nh 4.4 chØ ra sù thay ®æi 2dB trªn mçi tÇng. Tæng kÕt l¹i, khi tr¹m thu ph¸t n»m bªn ngoµi, tÝn hiÖu bªn trong tßa nhµ sÏ cã nh÷ng ®Æc tÝnh sau: - Sù thay ®æi tÝn hiÖu theo tØ lÖ nhá (small – scale) tu©n theo ph©n bè Rayleigh. - Sù thay ®æi tÝn hiÖu theo tØ lÖ réng (large – scale) tu©n theo ph©n bè lognormal víi ®é lÖch chuÈn phô thuéc vµo ®iÒu kiÖn m«i tr­êng lan truyÒn vµ diÖn tÝch tõng tÇng. - Suy hao x©m nhËp vµo tßa nhµ cña tÝn hiÖu sÏ gi¶m khi tÇn sè t¨ng. - Khi kh«ng cã ®­êng truyÒn th¼ng LOS gi÷a BTS vµ tßa nhµ (c¬ chÕ t¸n x¹ chiÕm ­u thÕ), sù sai lÖch tiªu chuÈn cña gi¸ trÞ trung b×nh côc bé xÊp xØ 4dB. Khi cã ®­êng truyÒn th¼ng LOS, sù sai lÖch tiªu chuÈn lµ 6 ®Õn 9dB. - Sù thay ®æi suy hao x©m nhËp cña tÝn hiÖu theo ®é cao lµ 2dB/tÇng. PhÇn iI: c¸c m« h×nh truyÒn sãng ch­¬ng IV: m« h×nh truyÒn sãng trong nhµ Ph¹m Träng §¹i - 505102009 Khoa CNTT - §H ph­¬ng ®«ng 60 Cuèi cïng, chóng ta th¶o luËn vÒ vÊn ®Ò m« h×nh hãa. HÇu hÕt c¸c m« h×nh lan truyÒn ngoµi trêi ®­îc ph¸t triÓn vµ tèi ­u cho macrocell, vµ chóng kh«ng chÝnh x¸c khi ¸p dông cho microcell. Ngoµi ra, viÖc dù ®o¸n suy hao ®­êng truyÒn tõ mét tr¹m BTS bªn ngoµi ®Õn mét m¸y thu n»m bªn trong tßa nhµ sÏ chÝnh x¸c h¬n nÕu nã ®­îc tÝnh to¸n trùc tiÕp vµ kh«ng ®¬n thuÇn lµ sù më réng cña c¸c m« h×nh ngoµi trêi. Barry vµ Williamson ®· ®­a ra mét hÖ sè kÕt hîp liªn quan ®Õn sù lan truyÒn cña tÝn hiÖu tõ ngoµi vµo trong tßa nhµ vµ hÖ sè liªn quan ®Õn sù lan truyÒn cña tÝn hiÖu bªn trong tßa nhµ ®Ó cho ra ®êi mét m« h×nh toµn diÖn. Toledo ®· thùc hiÖn c¸c ph©n tÝch håi quy nhiÒu b­íc víi mét c¬ së d÷ liÖu to lín, vµ nghiªn cøu mèi quan hÖ cña c¸c tham sè. KÕt qu¶ tèt nhÊt cña «ng lµ ®­a 3 tham sè vµo c«ng thøc to¸n håi quy. §ã lµ kho¶ng c¸ch d gi÷a m¸y ph¸t vµ thu, diÖn tÝch sµn Af, vµ hÖ sè SQ thÓ hiÖn cho sè sµn cña tßa nhµ cã ®­êng truyÒn th¼ng LOS. M« h×nh cho tÇn sè 900MHz vµ 1800MHz nh­ 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 sè gi÷a c«ng thøc to¸n häc trªn víi gi¸ trÞ ®o thùc nghiÖm lµ 2.4 vµ 2.2dB t­¬ng øng. Sai sè nµy nhá h¬n mét chót so víi kÕt qu¶ nghiªn cøu cña Barry vµ Williamson. 4.1.2. TruyÒn sãng bªn trong tßa nhµ Cã rÊt nhiÒu nghiªn cøu vÒ lan truyÒn sãng trong tßa nhµ trªn mét ph¹m vi tÇn sè réng. Lan truyÒn sãng trong nhµ chÞu ¶nh h­ëng rÊt lín bëi c¸c ®Æc tÝnh cña tßa nhµ nh­ c¸c bè trÝ vËt dông trong nhµ, vËt liÖu dïng ®Ó x©y dùng t­êng, sµn nhµ, trÇn nhµ. PhÇn iI: c¸c m« h×nh truyÒn sãng ch­¬ng IV: m« h×nh truyÒn sãng trong nhµ Ph¹m Träng §¹i - 505102009 Khoa CNTT - §H ph­¬ng ®«ng 61 H×nh 4.5. M« h×nh phñ sãng trong c¸c tßa nhµ cao tÇng HÖ thèng th«ng tin v« tuyÕn trong nhµ kh¸c víi hÖ thèng v« tuyÕn b×nh th­êng ë hai yÕu tè quan träng sau: m«i tr­êng can nhiÔu vµ tèc ®é fading. M«i tr­êng can nhiÔu th­êng g©y ra bëi sù bøc x¹ cña c¸c thiÕt bÞ ®iÖn tö nh­ m¸y tÝnh. Møc nhiÔu bªn trong nhµ nµy ®«i khi lín h¬n bªn ngoµi. H¬n n÷a, c­êng ®é tÝn hiÖu thay ®æi tõ chç nµy sang chç kh¸c trong tßa nhµ. TÝn hiÖu cã thÓ bÞ suy hao rÊt nhiÒu khi lan truyÒn mét vµi mÐt qua t­êng, trÇn nhµ hoÆc sµn nhµ hay PhÇn iI: c¸c m« h×nh truyÒn sãng ch­¬ng IV: m« h×nh truyÒn sãng trong nhµ Ph¹m Träng §¹i - 505102009 Khoa CNTT - §H ph­¬ng ®«ng 62 thËm chÝ vÉn ®ñ m¹nh sau khi ®· lan truyÒn hµng tr¨m mÐt däc hµnh lang. HÖ sè tÝn hiÖu trªn t¹p ©m SNR rÊt khã dù ®o¸n vµ thay ®æi liªn tôc. H×nh 4.6. S¬ ®å m« t¶ hÖ thèng phñ sãng trong c¸c tßa nhµ cao tÇng Tèc ®é fading chËm lµm nã kh«ng thÝch hîp cho viÖc tÝnh to¸n ho¹t ®éng cña hÖ thèng. Cã hai kh¶ n¨ng sau: thø nhÊt, nÕu ng­êi sö dông m¸y ®iÖn tho¹i v« tuyÕn di chuyÓn chËm xung quanh trong tßa nhµ trong khi cuéc ®µm tho¹i vÉn liªn tôc, th× anten sÏ bÞ ¶nh h­ëng bëi fading. Tr­êng hîp nµy ®­îc m« t¶ chÝnh x¸c nhÊt b»ng tØ lÖ phÇn tr¨m cña thêi gian khi hÖ sè SNR r¬i xuèng thÊp h¬n mét gi¸ trÞ cã thÓ chÊp nhËn ®­îc. NÕu lµ hÖ thèng sè, th× ®ã lµ tØ lÖ phÇn tr¨m cña tØ lÖ lçi r¬i xuèng thÊp h¬n gi¸ trÞ cho phÐp. Tuy nhiªn v× c¸c ¶nh h­ëng thø cÊp (nh­ chuyÓn ®éng cña ng­êi, cöa bÞ ®ãng hoÆc më), nh÷ng kh¶ n¨ng nµy thay ®æi chËm theo thêi gian. PhÇn iI: c¸c m« h×nh truyÒn sãng ch­¬ng IV: m« h×nh truyÒn sãng trong nhµ Ph¹m Träng §¹i - 505102009 Khoa CNTT - §H ph­¬ng ®«ng 63 Sù ho¹t ®éng kh«ng nh­ mong muèn cña hÖ thèng b¨ng th«ng réng cã thÓ g©y ra bëi nhiÔu gi÷a c¸c ký tù do sù trÔ d¶i réng. §iÒu nµy lµm h¹n chÕ tèc ®é truyÒn d÷ liÖu. Do vËy, trong hÖ thèng b¨ng th«ng hÑp, fading nhiÒu tia vµ che khuÊt lµm h¹n chÕ vïng phñ sãng. NhiÔu cã thÓ xuÊt ph¸t tõ tù nhiªn, còng cã thÓ do con ng­êi, hoÆc còng cã thÓ do c¸c user kh¸c trong mét hÖ thèng nhiÒu user t¹o ra. Nã lµm h¹n chÕ sè l­îng user cïng tån t¹i trong mét vïng phñ sãng. C¸c kü thuËt nh­ cÊp kªnh ®éng, ®iÒu khiÓn c«ng suÊt, thu ph©n tËp cã thÓ ®­îc sö dông ®Ó h¹n chÕ vÊn ®Ò nµy. a. §Æc tÝnh lan truyÒn. Mét sè c¸c nghiªn cøu ®· ®­îc thùc hiÖn ®Ó x¸c ®Þnh c¸c ®Æc tÝnh lan truyÒn trong nhµ, trong tßa nhµ v¨n phßng, trong nhµ x­ëng. Mét trong sè c¸c nghiªn cøu míi nhÊt, ®­îc thùc hiÖn trªn hÖ thèng ®iÖn tho¹i v« tuyÕn t¹i NhËt B¶n, cã d¶i tÇn lµm viÖc tõ 250 ®Õn 400MHz. C¸c kÕt qu¶ ®o ®­îc thùc hiÖn víi m¸y ph¸t c«ng suÊt thÊp 10mW. KÕt qu¶ nghiªn cøu cho thÊy suy hao ®­êng truyÒn trung b×nh tu©n theo quy luËt suy hao trong kh«ng gian tù do trong kho¶ng c¸ch rÊt gÇn (trong ph¹m vi 10m). Sau ®ã, suy hao nµy t¨ng tØ lÖ víi kho¶ng c¸ch. NÕu ®­êng lan truyÒn cña tÝn hiÖu bÞ che ch¾n bëi ®å vËt, th× ®Æc tÝnh lan truyÒn sÏ bÞ ¶nh h­ëng theo nhiÒu c¸ch kh¸c nhau vµ kh«ng cã quy luËt chung nµo c¶. Sù thay ®æi tøc thêi cña tÝn hiÖu rÊt gÇn víi ph©n bè Rayleigh, ®ã lµ kÕt qu¶ cña qu¸ tr×nh t¸n x¹ bëi sù che ch¾n cña t­êng, sµn, trÇn vµ ®å vËt. Mét quy luËt liªn quan gi÷a suy hao ®­êng truyÒn vµ kho¶ng c¸ch tõ m¸y ph¸t ®­îc sö dông ®Ó dù ®o¸n c­êng ®é tÝn hiÖu trong mét tßa nhµ cã cÊu tróc, nh­ng chóng ta rÊt khã ®Ó ®­a ra ®­îc mét c«ng thøc chung. M« h×nh chÝnh x¸c nhÊt ®Ó miªu t¶ ®­êng truyÒn th¼ng th­êng x¶y ra t¹i c¸c phßng cã diÖn tÝch t­¬ng ®­¬ng nhau, cã cïng kiÓu s¾p xÕp ®å ®¹c, cã suy hao gièng nhau cña t­êng ng¨n gi÷a c¸c phßng. HÖ sè mò n trong c«ng thøc tÝnh suy hao thay ®æi xung tõ 2 khi tÝn hiÖu lan truyÒn tù do t¹i s¶nh hoÆc hµnh lang ®Õn 6 khi tÝn hiÖu bÞ che ch¾n nhiÒu. PhÇn iI: c¸c m« h×nh truyÒn sãng ch­¬ng IV: m« h×nh truyÒn sãng trong nhµ Ph¹m Träng §¹i - 505102009 Khoa CNTT - §H ph­¬ng ®«ng 64 Motley and Keenan ®· b¸o c¸o kÕt qu¶ nghiªn cøu thùc nghiÖm cña hä víi m«i tr­êng nghiªn cøu lµ tßa nhµ v¨n phßng nhiÒu tÇng, t¹i tÇn sè lµ 900MHz vµ 1700MHz. Mét m¸y ph¸t cÇm tay di chuyÓn trong mét phßng ®­îc lùa chän trong tßa nhµ nµy, trong khi m¸y thu lµ cè ®Þnh mét chç. M¸y thu cã vÞ trÝ t¹i trung t©m cña tßa nhµ, nã gi¸m s¸t c¸c møc cña tÝn hiÖu. Hä ®· ®­a ra mét c«ng thøc thÓ hiÖn mèi quan hÖ gi÷a c«ng suÊt vµ kho¶ng c¸ch nh­ sau: ' 10 log (15)P P kF S n d= + = + Trong ®ã: K: lµ sè tÇng. F: lµ suy hao t¹i mçi tÇng cña tßa nhµ. P’: lµ tham sè suy hao phô thuéc tÇn sè. d: lµ kho¶ng c¸ch tõ m¸y ph¸t ®Õn m¸y thu. B¶ng 1.2 ®­a ra gi¸ trÞ cña c¸c tham sè ®­îc ®o thùc nghiÖm. Chóng ta thÊy r»ng hÖ sè n lµ t­¬ng tù nhau cho c¶ hai tÇn sè, nh­ng F vµ S l¹i cã gi¸ trÞ cao h¬n 6 vµ 5dB t¹i tÇn sè 1700MHz. KÕt qu¶ nµy ®· ®­îc kiÓm tra l¹i trong c¸c tßa nhµ cao tÇng kh¸c. Ta thÊy r»ng tæng gi¸ trÞ suy hao ®­êng truyÒn cña tÝn hiÖu t¹i tÇn sè 1700MHz sÏ lín h¬n 5.5dB so víi suy hao tÝn hiÖu t¹i tÇn sè 900MHz. NhËn ®Þnh nµy phï hîp víi c¸c kÕt qu¶ dù ®o¸n vÒ mÆt lý thuyÕt. TÇn sè F (dB) S (dB) N 900MHz 10 16 4 1700MHz 16 21 3,5 B¶ng 4.2. C¸c tham sè lan truyÒn trong tßa nhµ. C¸c kÕt qu¶ ®o thùc nghiÖm kh¸c cho thÊy suy hao tÝn hiÖu qua v¸ch ng¨n mÒm lµ 3 – 4dB, vµ suy hao qua t­êng ng¹ch lµ 7 – 8dB. Gi¸ trÞ suy hao qua c¸c PhÇn iI: c¸c m« h×nh truyÒn sãng ch­¬ng IV: m« h×nh truyÒn sãng trong nhµ Ph¹m Träng §¹i - 505102009 Khoa CNTT - §H ph­¬ng ®«ng 65 vËt liÖu trªn th­êng nhá h¬n gi¸ trÞ suy hao tÝn hiÖu qua sµn nhµ, v× sµn nhµ th­êng b»ng bª t«ng cã l­íi kim lo¹i gia cè. Chóng ta nhËn thÊy r»ng tÇn sè 1700MHz cã xu h­íng bÞ gi÷ l¹i n¨ng l­îng nhiÒu h¬n tÇn sè 900MHz khi truyÒn qua cÇu thang bé vµ thang m¸y. C¸c b¸o c¸o cho biÕt suy hao gi÷a c¸c tÇng chÞu ¶nh h­ëng bëi vËt liÖu x©y dùng, sè l­îng vµ kÝch th­íc cöa sæ, còng nh­ chñng lo¹i kÝnh. M«i tr­êng xung quanh tßa nhµ còng ph¶i ®­îc xem xÐt, v× râ rµng, n¨ng l­îng bªn trong tßa nhµ cã thÓ lan truyÒn ra xa g©y ¶nh h­ëng vµ nhiÔu víi c¸c tßa nhµ xung quanh. Nã cã thÓ ph¶n x¹ ng­îc trë l¹i tßa nhµ t¹i c¸c tÇng cao hoÆc thÊp h¬n, phô thuéc vµo vÞ trÝ ®Æt anten vµ h­íng bóp sãng. C¸c kÕt qu¶ thùc nghiÖm ®· chØ ra r»ng suy hao gi÷a c¸c tÇng liÒn nhau sÏ l¬n h¬n suy hao cña tÝn hiÖu cña c¸c tÇng kh¸c. Sau n¨m hoÆc s¸u tÇng, tÝn hiÖu kh«ng cßn ¶nh h­ëng lÉn nhau. Mét sè nghiªn cøu còng ®· xuÊt b¶n th«ng tin vÒ suy hao tÝn hiÖu g©y ra bëi lan truyÒn qua c¸c lo¹i vËt liÖu x©y dùng kh¸c nhau, trªn c¸c d¶i tÇn sè kh¸c nhau. C¸c nghiªn cøu ®· cho thÊy, lan truyÒn tÝn hiÖu bªn trong tßa nhµ sÏ phô thuéc nhiÒu h¬n vµo cÊu tróc, vËt liÖu x©y dùng khi tÇn sè cao h¬n (vÝ dô 1700MHz so víi 900MHz). B¨ng tÇn thÊp (860MHz) ®· ®­îc sö dông cho hÖ thèng ®iÖn tho¹i v« tuyÕn sè Ch©u ¢u DECT. HÖ thèng nµy ®­îc thiÕt kÕ cho m«i tr­êng kinh doanh vµ d©n dông. HÖ thèng nµy cung cÊp mét chÊt l­îng tho¹i tèt, cung cÊp c¸c øng dông vÒ d÷ liÖu vµ tho¹i. Nã cho phÐp ng­êi sö dông c¸c thiÕt bÞ cÇm tay di chuyÓn linh ho¹t trong tßa nhµ. MÆc dï suy hao tÝn hiÖu t¨ng lªn theo tÇn sè, nh­ng d¶i tÇn 1700MHz cã thÓ sö dông ®­îc cho hÖ thèng ®iÖn tho¹i v« tuyÕn trong nhµ. Trong bÊt cø tr­êng hîp nµo, sè l­îng tr¹m thu ph¸t sãng sÏ phô thuéc vµo dung l­îng vµ yªu cÇu vÒ chÊt l­îng ho¹t ®éng, chø nã kh«ng bÞ giíi h¹n vµo vïng phñ sãng cña tÝn hiÖu. Trong tßa nhµ, kh«ng gian ®­îc chia thµnh c¸c phßng riªng biÖt, fading th­êng xuÊt hiÖn thµnh tõng côm, kÐo dµi trong vµi gi©y víi ph¹m vi dao ®éng kho¶ng 30dB. Trong m«i tr­êng v¨n phßng tho¸ng réng, fading xuÊt hiÖn liªn PhÇn iI: c¸c m« h×nh truyÒn sãng ch­¬ng IV: m« h×nh truyÒn sãng trong nhµ Ph¹m Träng §¹i - 505102009 Khoa CNTT - §H ph­¬ng ®«ng 66 tôc nh­ng l¹i cã ph¹m vi dao ®éng hÑp h¬n, kho¶ng 17dB. Sù thay ®æi ®­êng biªn theo thêi gian lµ Fading Racian víi gi¸ trÞ cña K tõ 6dB ®Õn 12dB. Gi¸ trÞ cña K lµ mét hµm më réng, cã sù bæ sung yÕu tè chuyÓn ®éng, thay cho cÊu tróc nhiÒu tia tån t¹i gÇn m¸y thu. Sù chuyÓn ®éng cña m¸y thu ®Çu cuèi còng g©y ra fading, v× sù chuyÓn ®éng nµy xuyªn qua c¸c khu vùc cã tr­êng ®iÖn tõ biÕn ®æi. Cã mét sè c«ng thøc më réng cña (12) trong m« h×nh suy hao tÝn hiÖu trong nhµ. 10 log (16)dL S n d X= + + Trong ®ã: Xd: lµ tham sè lognormal (dB) víi ®é sai lÖch tiªu chuÈn lµ s . Anderson ®· ®­a ra gi¸ trÞ tiªu chuÈn cña s vµ n cho c¸c lo¹i tßa nhµ kh¸c nhau trªn mét ph¹m vi tÇn sè, n n»m trong kho¶ng 1.6 ®Õn 3.3 , cßn s n»m trong kho¶ng tõ 3 ®Õn 14dB. Seidel còng ®­a ra c¸c gi¸ trÞ cho n vµ s cho c¸c tßa nhµ kh¸c nhau. C¸c gi¸ trÞ nµy ®­îc t×m ra th«ng qua c¸c phÐp ®o thùc nghiÖm t¹i rÊt nhiÒu vÞ trÝ. C¸c gi¸ trÞ nµy ®­îc sö dông ®Ó m« h×nh hãa lan truyÒn th«ng qua c«ng thøc sau: 10 log (17)SFL S n d F= + + Trong ®ã: nSF: lµ hÖ sè mò cho c¸c phÐp ®o trªn cïng mét sµn.