Đồ án “Dự đoán phủ sóng trong hệ thống thông tin di động”

Đồ án “Dự đoán phủ sóng trong hệ thống thông tin di động”

Dé tai:

hee

DO AN TOT NGHIEP

Dy doan phu song trong hé

thông thông tin di động

wl

9:10/9)/c05 3

KÊNH VÔ TUYẾN DI ĐỘNG VÀ VẤN ĐÈ D SÓNG 3

1.1 Tổng quan về kênh vô tuyến di động . - + 3 1.1.1 Các tác động cơ bản ¿- + + s+ccs+tetexekererrrkrkrerkerre 3

919/9) 5 35

CÁC PHƯƠNG PHAP DU DOAN HONG DUNG

2.1 Phương pháp Okumu[a - - + + +5 £+£+xexzzeexexexexevzve 35

TÓM TẮT CÁC ĐIÊU KIỆN PHỦ SÓNG KHÁC NHAU 61

VA MOT SO VAN DE TRONG HỆ THÓNG CDMA 61

Bw TOng Quatd seecssescsssesssseessssessssecssssscssssessssecssssesessecssssessssecesseeeesnecess 61

3.5 Cac vấn đề quan trọng có liên quan đến tính toán phủ sóng trong

hệ thống CDMA 2-22¿©+++2E+E2EEELEEEEEEEE211 2211.2112212 crkeC 81 3.5.1 Điều khiển công suất trong hệ thống CDMA 81 ez0097) 007577 oaÃä, ÔỎ 95

CHUONG |

KENH VO TUYEN DI DONG VA VAN DE DU’ DOAN PHỦ

SONG

1.1 Tổng quan về kênh vô tuyến di động

1.1.1 Các tác động cơ bản

1.1.1.1 Tén hao đường truyền

Tôn hao đường truyền mô tả sự suy giảm cường độ tín hiệu giữa ăng-ten thu

và ăng-ten phát theo khoảng cách và các tham số khác có liên quan như tần số công tác, độ cao các ăng-ten, Trong không gian tự do, cường độ tín hiệu trung bình thu được giảm dần theo bình phương khoảng cách từ máy phát tới máy thu

do công suất tín hiệu trên một đơn vị diện tích của mặt cầu sóng giảm dần theo bình phương khoảng cách giữa các ăng-ten thu và phát Trong thông tin di động mặt đất, đo hấp thụ của môi trường truyền, do sự tồn tại của các chướng ngại vật

dẫn đến các hiện tượng phản xạ, nhiễu xạ, làm cho tổn hao đường truyền có

thể lớn hơn rất nhiều tổn hao trong điều kiện truyền sóng trong không gian tự do

Tổn hao đường truyền phụ thuộc tần số bức xạ, địa hình, tính chất môi trường,

mức độ di động của các chướng ngại, độ cao ăng-ten, loại ăng-ten Trong

thong tin di động vô tuyến tế bào, trong nhiều trường hợp tổn hao đường truyền

tuân theo luật mũ 4 tức là tăng tỉ lệ với luỹ thừa 4 của khoảng cách (được xác định bằng thực nghiệm khi đó tín hiệu giảm 40 dB nếu khoảng cách tăng lên 10

lần) Về nguyên tắc, tổn hao đường truyền hạn chế kích thước của tế bào và cự li

liên lạc, song trong nhiều trường hợp ta có thể lợi dụng tính chất của tổn hao

đường truyền dé phân chia hiệu quả các tế bào, cho phép tái sử dụng tan số một cách hữu hiệu làm tăng hiệu quả sử dụng tần số

1.1.1.2 Pha-dinh

Pha-đinh là sự biến đổi cường độ tín hiệu sóng mang vô tuyến thu được do sự

thay đổi của môi trường truyền sóng và sự phản xạ, tán xạ, nhiễu xạ trên đường

truyền sóng Đối với các hệ thống thong tin vé tinh, pha-dinh chủ yếu gây bởi sự

hấp thụ thay đổi của khí quyền trong những điều kiện đặc biệt như mưa rào Còn

đối với các hệ thống thông tin vô tuyến mặt đất, nguyên nhân chính gây ra pha-

đỉnh đó là:

Sự thăng giáng của tầng điện ly đối với các hệ thông sóng ngắn

Sự hấp thụ gây bởi các phân tử khí, hơi nước, mưa sự hấp thụ này phụ

thuộc vào tần số công tác, đặc biệt là trong dải tần số cao (> 10GHz)

Sự khúc xạ gây bởi sự không đồng đều của mật độ không khí làm thay đổi hướng sóng so với thiết kế

Sự phản xạ, tán xạ, nhiễu xạ từ các chướng ngại vật trên đường truyền

lan của sóng điện từ gây nên hiện tượng trải trễ và giao thoa sóng tại máy thu

Do các yếu tố kể trên, hệ số suy hao đặc trưng cho quá trình truyền sóng vô

tuyến có thể biểu diễn dưới dạng: 2Ø) = afs.A(t,)

Trong đó z2: là hệ số suy hao sóng vô tuyến, afs 14 suy hao trong không

gian tự do, 4(//) là hệ số suy hao do pha-đinh

Ta thấy rằng, hệ số suy hao do pha-đỉnh là một hàm của thời gian và tần só

Nếu suy hao pha-đinh là hằng số trên toàn bộ băng tần hiệu dụng của tín hiệu thì

ta có pha-đỉnh phẳng (flat fading) hay pha-dinh kh6ng chon loc theo tan số (nonselective fading) Trong truong hop nguge lai thi goi 14 pha-dinh chọn lọc theo tan sé (selective fading) Pha-dinh cing còn được phân chia thành pha-dinh nhanh va pha-dinh chậm tuỳ theo mức độ phụ thuộc vào thời gian của một bit

hay một symbol Đối với các hệ thống vô tuyến chuyến tiếp số mặt đất, do thời

gian của một bit (hay một symbol) khá nhỏ nên ta có thé coi là pha-dinh chậm,

pha-dinh chậm gây bởi sự che khuất (pha-đinh che khuất chuẩn log) còn trong hệ thống thông tin di động, do tốc độ bit hiện còn khá nhỏ nên pha-đỉnh hầu như có thể xem là các pha-đinh nhanh

Khi một MS di động, do tại máy thu có rất nhiều tia tới (do các hiện tượng

phản xạ, tán xạ, nhiễu xạ từ các chướng ngại vật) và pha-đinh này còn được gọi

la pha-dinh đa đường

Xét trường hợp đơn giản nhất, khi MS “dừng” và không có chướng ngại đi

động Do sóng tới MS theo rất nhiều đường khác nhau và nếu các tia này độc lập

nhau thì đường bao tín hiệu thu được sẽ có Pdf (Probabilty Density Function_Hàm mật độ xác suất) Rayleigh, có dạng:

r ir

0 (<0)

e r: Đường bao tín hiệu thu

Hình 1.1 Hàm mật độ xác suất Rayleigh

Trong các hệ thống thông tin đi động thì việc truyền dẫn đa đường là quan trọng nhất đo vậy pha-dinh đa đường cũng là quan trọng nhất

1.1.1.3 Hiệu ứng Doppler

Hiệu ứng Doppler là sự thay đổi tần số của tín hiệu thu được so với tín hiệu đã

được phát đi, gây bởi chuyển động tương đối giữa máy phát và máy thu trong quá trình truyền sóng Khi MS di động so với BS hoặc khi các chướng ngại vật

đi động thì các tia sóng tới may thu MS còn chịu tác động của hiệu ứng Doppler Giả sử một sóng mang không điều chế ⁄ được phát tới một máy thu dang di

động với vận tốc u, như mô tả trong hình vẽ 1.2 Tại máy thu, tần số của tín hiệu

nhận được theo tia sóng thứ ¡ sẽ là: ƒ= ƒ + ƒ„.cosơ;

Trong đó ø, là góc tới của tia sóng thir i so với hướng chuyển động của máy

fv thu, f;, 14 wong dich tan Doppler, f,, = „ với c là vận tốc ánh sáng

ie

'Tỉa sóng tới thứ i

MS Hình 1.2: Tác động của hiệu ứng Doppler Tổng hợp các tác động của mọi tia sóng tới máy thu theo mọi góc khác trong

trường hợp tín hiệu phát là một sóng mang đơn không điều chế dẫn tới tín hiệu nhận được tại máy thu là một tín hiệu trải rộng về mặt tần số với độ rộng băng J„ lên tới 2ƒ„ (tín hiệu thu được trong trường hợp này có tần số từ ƒ; — /„ đến ƒ, + ƒ„) Đối với trường hợp tín hiệu phát là một tín hiệu điều chế với độ rộng băng tín hiệu

ƒ; (tín hiệu phát có các thành phần tần số từ / - W2 tới /¿ + W2) thì tín hiệu

nhận được sẽ trải ra trên một dải tần số có độ rộng tới cỡ J + Wp với tần số trung

tâm có thé khác với ƒ¿

Như vậy, hiệu ứng Doppler có thể gây nên suy giảm chất lượng liên lạc một cách tram trong Chi trong trường hợp máy thu đứng yên so với máy phát (o = 0), hoặc máy

thu đang chuyển động vuông góc với góc tới của tín hiệu (cosu = 0) thì tần số tín hiệu thu mới không bị thay đổi so với tần số tín hiệu phát

Trong các hệ thống thông tin di động, việc máy thu đứng yên so với máy phát không có nghĩa là không xảy ra hiệu ứng Doppler Các tia sóng từ các vật phản

xa di động như xe cộ, người đi lại vẫn có thể gây nên tác động Doppler tdi tin hiệu thu được tại máy thu

Hiệu ứng Doppler xảy ra mạnh nhất khi máy thu di động theo phương của tia sóng tới (cosơ; = +j) Điều này thường xảy ra trong thông tin di động khi máy thu đặt trên xe di chuyển trên các xa lộ, còn các ăng-ten trạm phát thì được bố trí dọc

theo xa lộ (được gắn trên các cầu vượt ngang xa lộ chẳng hạn) Khi góc tỉa sóng tới

ø phân bố đều, tần số Doppler sẽ có phân bố cosine ngẫu nhiên Mật độ phổ công suất sứ) (Doppler) có thể được tính như sau:

Công suất tín hiệu tới theo góc đz là công suất Doppler s(df trong dé df 1a

vi phân theo ơ của lượng địch tần Doppler /„.cosơ dẫn đến việc truyền một sóng

mang không điều chế sẽ được thu như một tín hiệu nhiều tia, có phổ không còn

là một tần số ƒ, đơn nữa mà là một phổ bao gồm các tần số thuộc (ƒ + /;„) Tổng quát, nếu tín hiệu là một sóng mang có điều chế thì phổ thu được của

một MS có tốc độ cụ thể dạng:

A

2

fi) (2)

fa

Trong đó A là hằng số, còn f;, phy thuéc vao tich cuia toc d6 v va tan sé truyén f

so

s() =

f >

-fn fc + fn

Hình 1.3: Phổ Doppler của một sóng mang không điều chế

1.1.1.4 Trải trễ

Trong thực tế, sóng mang được điều chế Trong thông tin di động số, ảnh

hưởng của đặc tính truyền dẫn đa đường còn phụ thuộc nhiều vào tỷ số giữa độ

dài một dấu (Symbol) và độ trải trễ A của kênh vô tuyến biến đổi theo thời gian

Độ trải trễ có thể xem như độ dài của tín hiệu thu được khi một xung cực hẹp

được truyền đi Nếu số liệu được truyền đi với tốc độ thấp thì độ trải trễ có thể được giải quyết đẽ dàng tại phần thu Tuy thế nếu ta cứ tăng tốc độ truyền số liệu

lên mãi thì tới một lúc mỗi symbol số liệu sẽ trải hẳn sang các symbol số liệu lân cận, tạo ra xuyên nhiễu giữa các đấu ISI (InterSymbol Interference) thi ti 16 16i

bịt BER (Bit Error Rate) có thể sẽ lớn tới mức không chấp nhận được

Hiện tượng trải trễ hạn chế tốc độ truyền tin: Tốc độ truyền (tốc độ bit), giả sử

là (1/T) dé khéng xay ra ISI (intersymbol interference: xuyén nhiéu giữa các

dấu) thì T phải > A, tức là R = (1/T) < (1/A) do vay A càng lớn, tốc độ truyền tin

càng nhỏ

Xung phát

|

iN

1%

1

1

I `

"

| \

Lp

A: Lượng mở rộng độ trễ D

Hình 1.4: Trai trễ trong môi trường vô tuyến di động Với thông tin di động trong nhà, picrocell và microcell: A thường < 500 ns = 0.5Is,

do đó tốc độ tối đa có thể đạt được là 2 Mb/s mà có thể không cần san bằng kênh.

Với hệ thống thông tin tế bào lớn A có thể lên tới > 10us — để truyền tin với tốc độ cao (> 64kb/s), nhất thiết phải có san bằng Bảng 1.1 cho thấy số liệu trải trễ

trung bình đối với các môi trường khác nhau:

Trong toà nhà <0.1 ps Vùng rộng thoáng <0.2 ps Khu vuc ngoai 6 0.5 ps Khu vực thành thị 3 us

Bang 1.1: Trải tré trung bình trong các môi trường khác nhau

1.1.2 Phân loại kênh

Trong hệ thống thông tin di động thì kênh thông tin là không thể nói trước được, do đó khi tiền hành dự đoán trước chất lượng của kênh thông tin là không thể Do vậy mà chất lượng của hệ thống thông tin di động được xác định bằng

cách tiến hành mô hình hoá kênh truyền trong thực tế dựa trên ba mô hình cơ bản

đó là mô hình Gaussian, Rician và Rayleigh

1.1.2.1 Kênh Gaussian

Kênh Gaussian là một kiểu kênh truyền đơn giản nhất và cũng là một kênh lí

tưởng Trong kênh này, nhiễu được tạo ra từ máy phát khi ta coi đường truyền là

lí tưởng như minh hoạ trên hình (1.5) Tạp âm này có mật độ phổ công suất là

hằng số trên kênh băng rộng và có hàm mật độ xác suất của biên độ có phân bố

10

Gaussian Gia sir tin hiệu được truyền trên kénh Gaussian và tại máy thu, tín hiệu thu được có dạng như sau:

r(t) = cs(t) + n(t) (1.3)

Trong đó:

c là hệ số tồn hao đường truyền và trong mô hình này thì c là hằng số

s() là tín hiệu truyền

n(t) 14 tap âm được cộng thêm vào trên kênh truyền

Tạp âm n(‡) là trên kênh không phụ thuộc vào tần số truyền và nó thường

được coi là tạp âm trắng, biên độ của nó được mô tả bằng một hàm pdf có phân

bố Gaussian có giá trị trung bình bằng 0 như sau:

~a2/

2no

Trong d6: 0° 1a phương sai của biến ngẫu nhiên a

p() rí)

Gaussian pdf

r

n(t)

AWGN

Hình 1.5: Hình vẽ minh hoạ mô hình kênh Gaussian và phân bồ của r()

Kiểu kênh như mô tả ở trên được gọi là kênh tạp âm Gaussian cộng tính Kiểu kênh

này cũng được sử dụng đề đánh giá giới hạn trên cho chất lượng của các hệ thống

Kênh Gaussian thường được coi là kênh lí tưởng, tuy

nhiên điều này không hoàn toàn đúng như vậy Trong các microcell và đặc biệt là trong các Picrocell kiểu kênh này thường hay xuất hiện Ngoài ra, khi sử dụng các kĩ thuật

11

phân tập, san bằng, mã kênh, mã dữ liệu thì chất lượng

của các hệ thống không mang đầy đủ tính chất của kênh

Gaussian cũng có thể tiến sát được đến với chất lượng của kênh Gaussian

1.1.2.2 Kénh pha-dinh Rayleigh

Phan bé Rayleigh thường được sử dụng để mô tả biên độ của các tín hiệu vô

tuyến di động trong khoảng thời gian ngắn Một tín hiệu thu được tiêu biểu có

pha và đường bao pha-đinh có dạng như hình vẽ (1.6)

Xét một tín hiệu cost phát ra từ một máy phát và được truyền trên kênh vô tuyến, khi đó tín hiệu thu được tại máy thu sẽ có dạng reos(@t + ®) trong đó r là biên độ có dạng phức, ® là pha ngẫu nhiên có phân bố đều Biên độ phức r có

thể được biểu diễn bởi hai thành phần ngẫu nhiên đồng pha I và vuông pha Q

độc lập nhau Và độ lớn của r được tính theo công thức:

12

RAYLEIGH FADING ENVELOPE

° | | tai —ÀD \ M 4 A il i asl Aad mi i ila

, Hl aul Ih WU Hi! FW ru ry [||

“TAT ae tr

Ve |

Hình 1.6: Pha và đường bao pha-đinh Rayleigh của một tín hiệu thu được tiêu

biểu khi MS di chuyển với vận tốc 30 mph, tai tan sé 900 MHz

Tại máy thu, tín hiệu thu được có đường bao có phân bố Rayleigh hay phân

bố Ricean là phụ thuộc vào giá trị trung bình của các biến ngẫu nhiên I và Q Nếu giá trị trung bình của cả hai biến ngẫu nhiên này bằng 0 thì pdf của r có

phan bé Rayleigh va được tính như sau:

13