Chương 1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT Trong hệ thống phủ sóng di động cho tòa nhà 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 được thiết bị đầu cuối của thuê bao di động. Để dự đoán được 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. Trong chương này, chúng ta sẽ đi sâu nghiên cứu các mô hình truyền sóng được áp dụng vào tính toán suy hao và quỹ đường truyền trong các tòa nhà cao ốc. Mô hình truyền sóng bên ngoài tòa nhà 1.
Truyền sóng trong không gian tự do Mô hình truyền sóng trong không gian tự do được sử dụng để dự đoán cường độ tín hiệu thu được khi giữa bộ thu và bộ phát không có vật cản và đường truyền LOS [7]. Các hệ thống thông tin vệ tinh và đường truyền sóng vô tuyến cực ngắn được coi là truyền trong không gian tự do. Như với hầu hết các mô hình truyền sóng vô tuyến dải rộng, mô hình không gian tự do dự đoán suy hao công suất thu như một hàm của khoảng cách T-R. Công suất trong không gian tự do nhận được bởi anten thu đặt cách anten phát một khoảng cách d, được cho bởi phương trình Friis.1) Trong đó: • Pt là công suất phát.
• Pr(d) là công suất thu. • Gt là tăng ích anten phát. • Gr là tăng ích anten thu. • d là khoảng cách T-R tính theo m.
LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 4 • L là hệ số suy hao hệ thống (L≥1), là bước song tính theo m. • Tăng ích của anten liên quan tới diện tích hiệu dụng của nó, Ae, thông qua phương trình: = (1.2) • Diện tích hiệu dụng anten Ae phụ thuộc vào kích thước vật lý của anten, và phụ thuộc vào tần số sóng mang: = = (1.3) f là tần số sóng mang tính theo Hz. là tần số sóng mang tính theo rad/s, và c là vận tốc ánh sang tính theo m/s. Phương trình không gian tự do cho thấy công suất thu tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách d.
Điều này có nghĩa công suất thu giảm 20dB/10m khoảng cách. Anten bức xạ đẳng hướng là một anten lý tưởng, với công suất bức xạ đẳng hướng hiệu dụng (EIRP) .4) Trên thực tế công suất bức xạ hiệu dụng (ERP) được sử dụng thay thế cho EIRP để biểu thị công suất bức xạ cực đại khi được xem xét như là anten lưỡng cực nửa bước sóng (thay cho một anten đẳng hướng). Suy hao đường truyền, biểu diễn suy giảm tín hiệu, tính bằng dB, được xác định bằng sự chênh lệch (theo dB) giữa công suất phát và thu hiệu dụng, và có thể có hoặc không bao hàm độ tăng ích của anten. Suy hao đường truyền trong không gian tự do khi bao hàm cả tăng ích anten được tính bởi: PL(dB) = 10log = -10log ( ) (1.5) Khi không bao hàm tăng ích anten (coi bằng 1), suy hao đường truyền được tính như sau: LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 5 PL(dB) = 10log = -10log ( ) = 10log (1.5) ta thấy suy hao đường truyền tăng tỉ lệ thuận với bình phương tần số truyền sóng.
Anten có độ tăng ích cao có thể làm giảm suy hao này, và khá dễ dàng để thiết kế tại tần số nằm trong dải VHF. Đây là giải pháp cho kết nối cố định (point – to – point), nhưng không dùng cho kết nối di động dải VHF và UHF yêu cầu phủ sóng vô hướng. Nguyên lý Huyghen và miền Fresnel Hệ thống vô tuyến di động mặt đất đang được sử dụng một cách rộng rãi. Về một mặt nào đó, các dịch vụ kiểm soát và cấp cứu nội hạt vận hành trên một vùng khá rộng sử dụng các tần số thấp của dải VHF.
Các vùng dịch vụ có thể mở rộng đủ để cần đến vài trạm phát, hoạt động ở chế độ cận đồng bộ, và bao gồm cả vùng nông thôn, ngoại ô và thành phố. Nhưng mặt khác, ở các thành phố lớn, các cell riêng lẻ nằm trong cùng một hệ thống điện thoại vô tuyến tế bào 900 hoặc 1800 MHz có thể có kích thước rất nhỏ, với đường kính có thể dưới 1km, và cung cấp dịch vụ cho cả các hệ thống phương tiện định vị và các thiết bị cầm tay có thể đem vào trong các tòa nhà. Rõ ràng việc xác định vùng phủ sóng của bất kì một trạm phát gốc nào là một vấn đề khá phức tạp bao hàm cả các kiến thức về tần số hoạt động, địa hình, mức độ đô thị hóa, độ cao của anten và một vài yếu tố khác. Ngoài ra, khi di động di chuyển bên trong hay giữa các tòa nhà, các tòa nhà trở thành những vật cản ngẫu nhiên, và rất khó để xác định và phân tích một cách chính xác trừ khi có cơ sở dữ liệu về môi trường truyền sóng và cập nhật về địa hình một cách chính xác.
Tổng hợp hình ảnh vệ tinh và các công nghệ tương tự như vậy đã giúp ích trong việc tạo ra các cơ sở dữ liệu và được sử dụng cho các phương pháp dự đoán như “dò theo tia sóng”. Trong thực tế, các kênh vô tuyến di động có vị trí không thích hợp nhất trong thông tin vô tuyến mặt đất. Suy hao đường truyền thường vượt quá suy hao trong không gian tự do hay trong địa hình bằng phẳng khoảng vài chục dB; độ biến thiên cao và dao động ngẫu nhiên khi bộ thu di chuyển qua các địa hình không bằng phẳng LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 6 và/hoặc giữa các tòa nhà. Các kênh cũng hay bị lỗi bởi nhiễu của môi trường xung quanh gây nên bởi các loại thiết bị điện; nhiễu này là xung nhiễu và thường do con người tạo ra.
Hiện nay có một vài phương pháp nghiên cứu cường độ tín hiệu trung bình trong một vùng địa lý tương đối nhỏ cho trước. Một vài trong số đó có thể áp dụng trên các địa hình không bằng phẳng, một vài áp dụng được trong các vùng địa lý có nhiều nhà cửa,…Các phương trình truyền sóng trong không gian tự do và địa hình bằng phẳng được sử dụng như cơ sở cho các phương pháp này. Đầu tiên, chúng ta sẽ nói về các nguyên lý và các phương pháp phân tích làm nền tảng cho rất nhiều các phương pháp dự đoán. Nguyên lý Huyghen cho biết rằng mỗi điểm của mặt sóng gây bởi một nguồn bức xạ sơ cấp có thể được coi như nguồn của một sóng thứ cấp mới.
Vì vậy, nguyên lý này cho phép ta có thể tính toán trường tại một điểm bất kỳ trong không gian khi đã biết được trường ở trên một bề mặt cầu nào đó. Dựa trên nguyên lý Huyghen, ta có thể xác định khu vực không gian có tham gia vào quá trình truyền sóng. Trong các miền Fresnel, ta chỉ quan tâm đến miền Fresnel thứ nhất vì đây là miền tập trung hầu hết năng lượng trường điện từ nên là miền chủ yếu tham gia vào quá trình truyền sóng. Bán kính miền Fresnel thứ nhất được xác định khi n=1.
Miền Fresnel thứ nhất [6] Trong quá trình tính toán suy hao đường truyền, lan truyền trong không gian tự do được xem như là một mô hình chuẩn. Các mô hình khác được xây dựng trên mô LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 7 hình chuẩn này và cố gắng tìm ra một cách tiếp cận tới một giá trị suy hao dự đoán chính xác hơn. Dựa vào miền Fresnel thứ nhất người ta đưa ra một số mô hình truyền sóng áp dụng cho các địa hình không bằng phẳng hay các địa hình có nhiều nhà cửa: mô hình Okumura, mô hình Hata, mô hình Walfish… 1. Các mô hình truyền sóng bên ngoài tòa nhà Hình 1.
Cấu trúc cell [6] 1. Mô hình Okumura Mô hình Okumura [7] là một trong những mô hình dự báo tín hiệu trong khu vực đô thị được sử dụng rông rãi nhất. Mô hình này áp dụng cho tần số trong dải 150 MHz đến 1920MHz (mặc dù có thể đạt tới 3000MHz) và khoảng cách là từ 1km đến 100km. Nó có thể được sử dụng cho các trạm anten gốc với chiều cao từ 30m đến 1000m.
Trong các bản báo cáo của Okumura có chứa một tập các đường cong được xây dựng từ rất nhiều các phép đo 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. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 8 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 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 300m 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 liền kề nhau, dân cư đông đúc, cây cối trồng thành hàng sát nhau. Trong một khu đô thị trên một vùng gần như bằng phẳng với một trạm gốc chiều cao hiệu dụng (hte) khoảng 200m và chiều cao của một anten MS (hre) khoảng 3m.
Công thức Okumura: = + (1.8) Trong đó: : là hệ số suy hao dự đoán Okumura. : suy hao lan truyền trong không gian tự do 1. Mô hình Hata Mô hình Hata [7] 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.
LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 9 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.