CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ KÊNH VÔ TUYẾN DI ĐỘNG 1.1 Giới thiệu chương Trong thông tin vô tuyến di động tín hiệu được truyền từ máy phát tới máy thu thông qua kênh vô tuyến. Chất lượng kênh vô tuyến di động đóng vai trò hết sức quan trọng, nó ảnh hưởng trực tiếp tới việc khôi phục lại tín hiệu ở đầu thu. Môi trường truyền kênh vô tuyến vốn chịu tác động của các yếu tố đặc trưng của kênh vô tuyến, do đó trong chương này của luận văn sẽ tập trung nghiên cứu các vấn đề của kênh vô tuyến như: mô hình kênh cơ bản, tổn hao đường truyền, các hiện tượng các hiệu ứng tác động tới truyền sóng vô tuyến như Fading, trải trễ, hiệu ứng Doppler, các phân bố Rayleigh và Rice và dung lượng kênh vô tuyến.2 Giới thiệu về kênh vô tuyến Không giống như kênh truyền hữu tuyến là ổn định và có thể dự đoán được, kênh truyền vô tuyến là hoàn toàn ngẫu nhiên và không hề dễ dàng trong việc phân tích. Tín hiệu phát được truyền trên kênh truyền vô tuyến đến máy thu sẽ bị tác động bởi nhiều yếu tố của kênh truyền như: bị suy hao tín hiệu do khoảng cách truyền, bị cản trở bởi các toà nhà cao tầng, núi non, cây cối, bị phản xạ, tán xạ, nhiễu xạ bởi các chướng ngại vật trên đường truyền làm cho tín hiệu từ máy phát tới máy thu đi theo các đường khác nhau, kết quả là ở máy thu ta thu được rất nhiều phiên bản khác nhau của tín hiệu phát.
Bên cạnh những yếu tố tác động trên, kênh vô tuyến còn bị tác động bởi các loại tạp nhiễu đưa vào từ chính nội tại hệ thống cũng như các tác động từ các kênh truyền lân cận và các hệ thống thông tin khác hoạt động song song. Tất cả các yếu tố tác động trên đều làm cho tỉ số tín hiệu trên tạp âm ở tại máy thu giảm, điều này ảnh hưởng đến chất lượng và dung lượng của hệ thống thông tin vô tuyến.1 Truyền sóng trong thông tin vô tuyến Tieu luan 1 2 Do kênh truyền vô tuyến là hoàn toàn ngẫu nhiên nên người ta chỉ có thể dựa trên cơ sở toán học các mô hình kênh và các phân bố của từng loại kênh với các phân bố Rice, Rayleigh và Gauss, thông qua các mô hình này người ta có thể mô phỏng đánh giá chất lượng kênh truyền với từng loại kênh [10]. Trong thông tin vô tuyến kênh truyền được phân loại theo một số tiêu chí khác nhau. a, Phân loại theo độ rộng băng tín hiệu + Các kênh băng hẹp: các kênh băng hẹp là các kênh có tốc độ đủ nhỏ, trong đó tác động làm giãn ký tự thu của sự truyền lan nhiều tia không gây nên ISI.
+ Các kênh băng rộng: trong các kênh băng rộng, tốc độ ký tự là đủ lớn đến nỗi một ký hiệu bị giãn lấn sang vài ký tự lân cận gây nên ISI. b, Phân loại kênh theo môi trường truyền sóng + Kênh vô tuyến di động trong nhà: với loại kênh này do kích thước tế bào nhỏ, trải trễ là khá nhỏ, tốc độ truyền có thể lớn mà không cần san bằng kênh. + Kênh vô tuyến di động ngoài trời: kích thước tế bào lớn, số vật gây phân tán kênh lớn nên trải trễ có thể rất lớn làm hạn chế tốc độ truyền và cần san bằng kênh. c, Phân loại kênh theo đặc tính fading nhanh +Kênh fading Rice: là kênh trong trường hợp trong số các tia tới máy thu có một số tia trội, thường là tia LOS.
Khi đó fading nhanh có phân bố Rice. 𝑐𝑐ô𝑛𝑛𝑛𝑛 𝑠𝑠𝑠𝑠ấ𝑡𝑡 𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡 𝑡𝑡𝑡𝑡ộ𝑖𝑖 Tham số 𝐾𝐾 = 𝑡𝑡ổ𝑛𝑛𝑛𝑛 𝑐𝑐ô𝑛𝑛𝑛𝑛 𝑠𝑠𝑠𝑠ấ𝑡𝑡 𝑐𝑐á𝑐𝑐 𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡 𝑡𝑡á𝑛𝑛 𝑥𝑥ạ + Kênh Gausse: trong trường hợp này có thể xem như chỉ có các tia LOS, khi đó tác động lên hệ thống chủ yếu là tạp âm nhiệt có phân bố Gausse. +Kênh Rayleigh: trong trường hợp này không có tia LOS nào, các kênh này thường gặp trong thực tế, trong các tế bào lớn, địa hình phức tạp.3 Đặc điểm truyền sóng trên kênh vô tuyến Trong thông tin vô tuyến do đặc điểm khoảng cách từ máy phát tới máy thu là xa nhau và môi trường truyền là vô tuyến nên tín hiệu truyền từ đầu phát tới đầu thu có thể bị các tác động từ môi trường truyền bên ngoài gây ra các hiện tượng như: phản xạ sóng, tán xạ sóng, nhiễu xạ sóng. a, Phản xạ sóng Hình 1.1 Phản xạ sóng trong truyền sóng vô tuyến Phản xạ sóng xảy ra khi sóng tới va đập vào biên của 2 môi trường và một phần hoặc toàn bộ công suất tới không đi vào môi trường 2 mà phản xạ lại.
b, Tán xạ sóng Hình 1.2 Tán xạ sóng trong thông tin vô tuyến Tán xạ xảy ra khi môi trường truyền sóng có những vật cản nhỏ so với bước sóng, và số những vật cản này trên đơn vị thể tích là lớn. Khi bị tán xạ, tia tới sẽ bị phân tán thành nhiều tia có cường độ khác nhau và theo các hướng khác nhau. Tieu luan 1 4 c, Nhiễu xạ sóng Hình 1.3 Nhiễu xạ sóng trong truyền sóng vô tuyến Nhiễu xạ sóng là sự phân bố lại năng lượng trong mặt sóng khi nó đi qua gần mép cuả vật thể không trong suốt với kích thước so sánh được với bước sóng, nhiễu xạ cho phép sóng vô tuyến đi vòng qua vật chắn. Các băng tần sử dụng trong thông tin vô tuyến gồm nhiều băng tần, với mỗi băng tần thì phương thức truyền sóng riêng để phù hợp với băng tần đó.
Với sóng tần số thấp có thể lan truyền sóng không gian và cự ly truyền sóng có thể đi rất xa hàng nghìn kilomet là do cường độ trường của sóng này giảm theo khoảng cách khá chậm, nói cách khác là năng lượng của chúng bị mặt đất hoặc mặt nước hấp thụ ít. Nhưng với đặc điểm của dải sóng này là dung lượng tần số nhỏ nên khả năng truyền tải thông tin tốc độ cao là không đáp ứng được. Ngày nay khi mà yêu cầu về thông tin tốc độ cao ngày càng cần thiết và các băng tần đa số đã được sử dụng cho các mạng di động tồn tại trước đó thì người ta bắt đầu nghĩ tới các dải sóng tần số lớn lên tới hàng GHz phục vụ cho mục đích truyền tải thông tin tốc độ cao, nhưng nhược điểm của các dải sóng tần số lớn là bị suy hao lớn do khoảng cách truyền sóng nên cự ly truyền sóng giảm, các dải sóng tần số cao đang được nghiên cứu thử nghiệm cho các mạng 5G với công nghệ sóng milimet. Tieu luan 1 5 Với đặc tính môi trường truyền dẫn là môi trường truyền vô tuyến nên truyền sóng trên kênh vô tuyến luôn chịu các tác động đặc thù của kênh vô tuyến, đó là: • Truyền sóng đa đường: Đây hiện tượng cố hữu trên kênh vô tuyến.
Hệ quả của truyền sóng đa đường gây nên ISI, ảnh hưởng đến chất lượng tín hiệu khi khôi phục tại đầu thu. • Fading trong thông tin vô tuyến cũng là hiện tượng hết sức nghiêm trọng. Fading được chia làm hai loại: fading do mưa, sương mù, không khí và fading đa đường (do truyền sóng đa đường). Ở các băng tần tín hiệu lớn còn có fading lựa chọn theo tần số, là loại fading gây ảnh hưởng lớn đến chất lượng tín hiệu.
• Suy hao: Mô tả sự suy giảm công suấ t trung bıǹ h của tín hiê ̣u khi truyề n từ máy phát đế n máy thu. Sự giảm công suấ t do hiê ̣n tươ ̣ng che chắn và suy hao do tần số có thể khắc phục bằng các phương pháp điề u khiể n công suấ t. • Hiệu ứng bóng râm (Shadowing): Do ảnh hưởng của các vật cản trên đường truyền, ví dụ như các toà nhà cao tầng, các ngọn núi, đồi,… làm cho biên độ tín hiệu bị suy giảm. Tuy nhiên, hiện tượng này chỉ xảy ra trên một khoảng cách lớn, nên tốc độ biến đổi chậm.
Vì vậy, hiệu ứng này được gọi là fading chậm. • Hiệu ứng Doppler: Gây ra do sự chuyển động tương đối giữa máy phát và máy thu. Bản chất của hiện tượng này là phổ của tín hiệu thu bị xê lệch đi so với tần số trung tâm một khoảng gọi là dịch tần số Doppler.4 Tổn hao đường truyền của kênh vô tuyến Tổn hao đường truyền của kênh vô tuyến được đánh giá trong phạm vi rộng thông qua các mô hình tổn hao đường truyền. Mô hình tổn hao đường truyền mô tả suy hao tín hiệu giữa anten phát và anten thu như là một hàm phụ thuộc vào khoảng cách và các thông số khác.
Một số mô hình bao gồm cả chi tiết về địa hình để dánh giá suy hao tín hiệu, trong khi đó một số mô hình chỉ xem xét đến tần số và khoảng cách. Chiều cao anten là một thông số quan trọng. Tổn hao phụ thuộc vào khoảng cách: Tieu luan 1 6 PL ~ dn (1.1) Trong đó n là mũ tổn hao (n=2 cho không gian tự do, n < 2 cho các môi trường trong nhà, n > 2 cho các vùng thành phố ngoài trời), d là khoảng cách từ máy phát đến máy thu. Từ lý thuyết và các kết quả đo lường ta biết công suất thu trung bình giảm so với khoảng cách theo hàm log cho môi trường ngoài trời và trong nhà.
Ngoài ra tại mọi khoảng cách d, tổn hao đường truyền PL(d) tại một vị trí nhất định là quá trình ngẫu nhiên và có phân bố log chuẩn xung quanh một giá trị trung bình (phụ thuộc vào khoảng cách). Nếu xét cả sự thay đổi theo vị trí, ta có thể biểu diễn tổn hao đường truyền PL(d) tại khoảng cách d như sau [10].2) d0 Trong đó PL(d ) là tổn hao đường truyền trung bình phạm vi rộng đối với d0 là khoảng cách tham chuẩn thu phát, X σ là biến ngẫu nhiên phân bố Gauss trung bình, d là khoảng cách giữa máy phát và máy thu, n là mũ tổn hao đường truyền. Mô hình tổn hao đường truyền Okumura-Hata thường được áp dụng tính toán cự ly phủ sóng của một ô. Tồn tại 4 mô hình tổn hao đường truyền Okumura-Hata: Hở, ngoại ô, thành phố nhỏ và thành phố lớn.
Mô hình này được sử dụng trong dải tần từ 500 MHz đến 2000 MHz với công thức cơ sở như sau. PLHata = 69,55 + 26,16 lg f − 13,82 lg hb − a (hm ) + (44,9 − 6,55lg hb ) lg d − K [dB] (1.