CHƯƠNG 1: TỔN HAO ĐƯỜNG TRUYỀN VÀ SUY GIẢM CHE KHUẤT Kênh vô tuyến đưa ra một sự thách thức khốc liệt về môi trường đối với việc truyền thông tốc độ cao. Nó không chỉ nhạy cảm với ồn, nhiễu, sự cản trở, và hiện tượng đa đường, mà sự trở ngại này còn thay đổi theo thời gian mà ta không thể dự đoán được do sự chuyển động của người dùng. Trong chương này ta sẽ mô tả đặc trưng sự thay đổi công suất của tín hiệu thu theo khoảng cách do sự tổn hao đường truyền và sự cản trở tín hiệu. Tổn hao đường truyền được định nghĩa là hiệu số giữa công suất phát và công suất thu, được tạo ra do sự tiêu tán công suất phát xạ của bộ phát cũng như các ảnh hưởng của kênh truyền.
Các mô hình tổn hao đường truyền giả thiết rằng tổn hao đường truyền là giống nhau ở cùng khoảng cách thu phát. Sự cản trở tín hiệu được tạo ra do các vật cản đặt giữa bộ phát và bộ thu hấp thụ công suất. Sự thay đổi do tổn hao đường truyền xuất hiện đối với đường truyền kích thước lớn (100 – 1000 m), trong khi đó sự thay đổi do sự cản trở xuất hiện qua khoảng cách tỷ lệ với kích thước của vật cản (10 -100 đối với môi trường ngoài trời và nhỏ hơn đối với môi trường trong nhà). Vì sự thay đổi do tổn hao đường truyền và do sự cản trở xuất hiện qua khoảng cách tương đối lớn, nên chúng thường được gọi là các ảnh hưởng đường truyền kích thước lớn.
Hình 1-1 phác họa đường lý thuyết cho tỷ số của công suất phát – nhận theo khoảng cách đối với sự ảnh hưởng kết hợp giữa tổn hao đường truyền, sự cản trở, và hiện tượng đa đường. Trong chương này ta sẽ trình bày tổng quan về các mô hình kênh đối với tổn hao đường truyền và suy giảm che khuất. Luận văn cao học Tổ hợp tỷ số cực đại LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 12 Tổn hao đường truyền Tổn hao đường truyền và che khuất K(dB) Tổn hao đường truyền, che khuất và đa đường P r (dB) P t 0 Log(d) Hình 1-1: Tổn hao đường truyền, suy giảm, và đa đường thay đổi theo khoảng cách. Giới thiệu về sự truyền lan của sóng vô tuyến trong kênh di động.
Để nắm được kiến thức ban đầu về truyền lan vô tuyến di động ta trở lại với ngiên cứu của Hert trong thập kỷ 1880, nó cho thấy sóng điện từ có thể truyền trong không gian tự do. Công việc tiên phong này đã khởi đầu cho lĩnh vực truyền thông vô tuyến, hệ thống vô tuyến cố định đầu tiên được xây dựng trong năm 1895 bởi Marconi. Và vào năm 1897 Marconi đã thực hiện việc truyền sóng vô tuyến từ hòn đảo Wight tới một con tàu cách xa đảo 18 dặm: Đây chính là việc thử nghiệm đầu tiên về hệ thống vô tuyến di động. Sóng điện từ truyền qua môi trường, ở đó chúng bị phản xạ, tán xạ, và nhiễu xạ do các bức tường, do mưa, do sự cản trở của các tòa nhà, và sự cản trở của các vật thể khác.
Những chi tiết cơ bản về truyền lan này có thể nhận được bằng cách sử dụng các phương trình Maxwell với điều kiện biên thích hợp, những phương trình này biểu diễn các đặc tính vật lý của các vật cản. Vì việc tính toán này là rất khó khăn và nhiều lúc các tham số cần thiết là không có sẵn, vì vậy phương pháp xấp xỉ được sử dụng để mô tả truyền lan tín hiệu mà không dùng đến các phương trình Maxwell. Phương pháp xấp xỉ thông dụng nhất là sử dụng kỷ thuật tia. Kỷ thuật này xấp xỉ việc truyền lan sóng điện từ bằng cách biểu diễn sóng như là các hạt đơn giản: Mô hình này xét đến sự ảnh hưởng của phản xạ và nhiễu xạ đối với dạng sóng mà không tính đến hiện tượng tán xạ phức tạp hơn được dự đoán bởi cặp phương trình vi phân của Maxwell.
Mô hình tia đơn giản nhất là mô hình hai Luận văn cao học Tổ hợp tỷ số cực đại LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 13 tia, mô hình này mô tả sự truyền lan tín hiệu khi tồn tại một đường truyền thẳng giữa bộ phát và bộ thu và một đường phản xạ. Đường phản xạ chính là sự phản xạ trên mặt đất, và mô hình hai tia là một sự xấp xỉ tốt đối với truyền lan dọc theo các đường cao tốc, đường nông thôn, và qua nước. Tiếp theo ta sẽ xét các mô hình phức tạp hơn với sự có thêm của các sóng phản xạ, và chúng cũng có thể là tán xạ hoặc nhiễu xạ. Nhiều môi trường truyền lan không phản ánh chính xác với các mô hình tia.
Trong các trường hợp này thường sử dụng mô hình phân tích dựa trên giá trị đo thực tế. Và ta sẽ trình bày một vài mô hình thực tế thông dụng nhất. Thường do sự phức tạp và sự biến đổi của kênh vô tuyến làm cho ta khó có thể có được một mô hình kênh xác định chính xác. Đối với các trường hợp này ta thường sử dụng các mô hình thống kê.
Sự suy giảm do sự cản trở đường tín hiệu của các tòa nhà hay các vật thể khác được mô tả theo thống kê, như được trình bày trong phần 1. Khi sự truyền lan phụ thuộc nhiều vào tính chất hình học và tính chất điện môi của môi trường vô tuyến, thì các mô hình thống kê cung cấp quá ít các thông tin hữu ích. Đây là trường hợp điển hình cho các hệ thống trong nhà, mà ở đó các đặc tính truyền lan thay đổi đột ngột phụ thuộc vào việc môi trường đó là các xí nghiệp, các văn phòng nhỏ, hay cửa hàng máy kim loại. Đối với các môi trường này ta sử dụng các công cụ mô hình có sự hỗ trợ của máy tính để dự đoán các đặc tính truyền lan của tín hiệu [5].
Mô hình tín hiệu Ta chỉ tập trung nghiên cứu đối với các tín hiệu trong băng tần UHF – SHF, tương ứng từ 0,3 – 3 GHz và 3 – 30 GHz. Hầu hết các hệ thống truyền thông di động mặt đất sử dụng băng UHF, trong khi đó các hệ thống vệ tinh điển hình hoạt động trong băng tần SHF, vì các tín hiệu này không có khả năng đâm xuyên tầng điện ly hoặc nếu có thì cũng rất nhỏ. Việc phân tích về sự truyền lan sóng vô tuyến đối với các hệ thống mặt đất trong băng tần UHF phải tính đến sự phản xạ và tán xạ từ các vật thể tự nhiên và các vật thể do con người tạo ra. Sự truyền lan sóng trong băng tần SHF đối với vệ tinh phải xét đến sự suy giảm gây ra do các tòa nhà, mưa, và các ảnh hưởng khác của khí quyển.
Ta giả thiết khoảng cách truyền trên trái đất là đủ nhỏ như thế sẽ không bị ảnh hưởng bởi độ cong của trái đất. Tín hiệu được truyền có dạng là: j(2f t ) s( t ) {( u ( t )e c 0 } {u ( t )} cos(2f t ) {u ( t )} sin(2f t ), c 0 c 0 (1.1) Luận văn cao học Tổ hợp tỷ số cực đại LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 14 Ở đây u(t) là tín hiệu băng cơ sở phức có thành phần cùng pha {u ( t )} , và thành phần vuông pha là {u ( t )} , độ rộng băng B, và công suất Pu. Tần số sóng mang của tín hiệu được điều chế s(t) là fc và 0 là pha ban đầu tùy ý của sóng mang. Ta giả thiết rằng B << fc, vì thế công suất của tín hiệu được truyền s(t) là Pt=Pu/2.
Hơn nữa pha là ngẫu nhiên, thì tín hiệu nhận được sẽ có dịch tần Doppler trong mỗi thành phần tín hiệu nhận được của nó là cos / , ở đây là góc tới của thành phần tín hiệu, là vận tốc của bộ thu, và c / f c là bước sóng của tín hiệu (c=3x108 m/s là tốc độ ánh sáng). Ta sẽ bỏ qua thành phần dịch tần Doppler này trong các mô hình không gian tự do và mô hình tia của chương này, vì đối với vùng nội thành thì tốc độ phương tiện là 60 km/h và tần số xấp xỉ 1GHz, thì dịch tần là nhỏ hơn 70Hz [3]. Tuy nhiên ta sẽ tính đến các ảnh hưởng của Doppler đối với các mô hình fading thống kê được trình bày trong chương 2. Trong chương này ta giả thiết rằng tín hiệu băng cơ sở u(t) là tín hiệu thực, vì thế u ( t ) {u ( t )} và {u ( t )}0 .2) Ta có thể công nhận giả thiết này mà không làm mất tính tổng quát vì tổn hao đường truyền ảnh hưởng đến thành phần cùng pha và thành phần vuông pha là giống nhau.
Ta sẽ sử dụng đến tín hiệu băng cơ sở phức khi xem xét đến fading thống kê được trình bày trong chương 2, vì hiện tượng fading này ảnh hưởng đến thành phần cùng pha và thành phần vuông pha là khác nhau. Tổn hao trong không gian tự do. Xét một tín hiệu được truyền qua không gian tự do tới một bộ nhận được đặt cách bộ phát một khoảng cách d. Tín hiệu này thường được gọi là tín hiệu nhìn thẳng (LOS), vì không có vật cản giữa bộ phát và bộ thu nên tín hiệu được truyền theo đường thẳng mà không bị phản xạ.
Tín hiệu nhận được, được xác định từ công thức truyền lan trong không gian tự do [4]: G l e j(2d / ) G l e j(2d / ) r(t) s( t ) u ( t ) cos(2f c t 0 ) 4d 4d (1.3) Ở đây G là tích số của hệ số tăng ích của anten phát và hệ số tăng ích của anten l thu theo hướng trực tiếp. Tín hiệu nhận được tỷ lệ với bước sóng của tín hiệu [4]. Công suất s(t) là Pt, vì thế tỷ số giữa công suất thu và công suất phát được tính từ (1.3) là: Luận văn cao học Tổ hợp tỷ số cực đại LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.4) Pt 4d Như vậy công suất tín hiệu nhận được giảm tỷ lệ với bình phương khoảng cách d giữa bộ phát và bộ nhận. Trong phần sau ta sẽ thấy khi xét đến các mô hình truyền lan tín hiệu khác, thì công suất tín hiệu nhận được giảm nhanh hơn so với khoảng cách này.