Nghiên cứu giải pháp xử lý tín hiệu để cải thiện chất lượng truyền số liệu trong mạng tính toán di động thế hệ thứ 3

Các hệ thống 3G cung cấp nhiều dịch vụ viễn thông bao gồm: thoại, số liệu tốc độ bit thấp và cao, đa phương tiện, video cho người sử dụng làm việc ở cả vùng công sở lẫn vùng dân cư hay t

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

NGUYỄN THƯỢNG ĐỨC

NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP XỬ LÝ TÍN HIỆU

ĐỂ CẢI THIỆN CHẤT LƯỢNG TRUYỀN SỐ LIỆU TRONG MẠNG TÍNH TOÁN DI ĐỘNG

THẾ HỆ THỨ 3

LUẬN VĂN THẠC SĨ

HÀ NỘI: 2010

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

NGUYỄN THƯỢNG ĐỨC

NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP XỬ LÝ TÍN HIỆU

ĐỂ CẢI THIỆN CHẤT LƯỢNG TRUYỀN SỐ LIỆU TRONG MẠNG TÍNH TOÁN DI ĐỘNG

THẾ HỆ THỨ 3

Nghành: Công nghệ thông tin

Chuyên ngành: Truyền dữ liệu và mạng máy tính

LUẬN VĂN THẠC SĨ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Trần Hồng Quân

HÀ NỘI: 2010

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

NGUYỄN THƯỢNG ĐỨC

NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP XỬ LÝ TÍN HIỆU

ĐỂ CẢI THIỆN CHẤT LƯỢNG TRUYỀN SỐ LIỆU TRONG MẠNG TÍNH TOÁN DI ĐỘNG

THẾ HỆ THỨ 3

LUẬN VĂN THẠC SĨ

HÀ NỘI: 2010

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

NGUYỄN THƯỢNG ĐỨC

NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP XỬ LÝ TÍN HIỆU

ĐỂ CẢI THIỆN CHẤT LƯỢNG TRUYỀN SỐ LIỆU TRONG MẠNG TÍNH TOÁN DI ĐỘNG

THẾ HỆ THỨ 3

Nghành: Công nghệ thông tin

Chuyên ngành: Truyền dữ liệu và mạng máy tính

LUẬN VĂN THẠC SĨ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Trần Hồng Quân

HÀ NỘI: 2010

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan kết quả đạt được trong luận văn là sản phẩm của riêng cá nhân tôi, không sao chép của người khác Trong toàn bộ nội dung của luận văn, những điều được trình bày hoặc là của cá nhân hoặc là được tổng hợp từ nhiều nguồn tài liệu Tất cả các tài liệu tham khảo đều có xuất xứ rõ ràng và được trích dẫn hợp pháp Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm và chịu mọi hình thức kỉ luật theo quy định cho lời cam đoan của mình

Hà Nội, 10/2010 Nguyễn Thượng Đức

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH VẼ 4

DANH MỤC BẢNG 5

BẢNG KÝ HIỆU CÁC CHỮ VIẾT TẮT 6

MỞ ĐẦU 9

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG THẾ HỆ THỨ 3 (3G) 11

1.1 Các đặc điểm của W-CDMA [4] 12

1.2 Các đặc tính kỹ thuật cơ bản của W-CDMA [4] 15

1.3 Cấu trúc mạng W-CDMA 17

1.3.1 Mạng truy nhập vô tuyến UTRAN 19

1.3.2 Giao diện vô tuyến [8] 21

1.4 Kết luận chương 24

CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN CHẤT LƯỢNG TRUYỀN DẪN 25

2.1 Các mô hình truyền tín hiệu [1] 26

2.2 Tổn hao trong không gian tự do [1] 28

2.3 Truyền lan nhiều đường [9] 29

2.3.1 Mô hình hai tia [6] 30

2.3.2 Mô hình 10 tia [3] 32

2.4 Mô hình thực nghiệm 33

2.4.1 Mô hình Okumura [3] 33

2.4.2 Mô hình Hata [9] 33

2.4.3 Mô hình Hata mở rộng 34

2.4.4 Mô hình tuyến tính từng khúc 34

2.4.5 Hệ số suy hao trong nhà 35

2.5 Mô hình tổn hao đường đơn giản [3] 36

2.6 Fadinh che tối 37

2.7 Kết hợp suy hao đường và quá trình che tối 39

2.8 Xác suất gián đoạn theo suy hao đường và che tối 40

2.9 Kết luận chương 40

CHƯƠNG 3: GIẢM XÁC SUẤT LỖI BẰNG CÁC GIẢI PHÁP PHÂN TẬP ANTEN 41

3.1 Giới thiệu 41

3.2 Tạo các đường truyền độc lập 41

3.3 Phân tập thu 43

3.3.1 Mô hình hệ thống 43

3.3.2 Phương pháp phân tập kết hợp lựa chọn (Selection Combining) 45

3.3.3 Phân tập kết hợp ngưỡng (Threshold Combining) 52

3.3.4 Kết hợp với tỉ lệ cực đại (MRC – Maximal Ratio Combining) 54

3.3.5 Kết hợp cùng độ lợi (Equal-Gain Combining) 60

3.4 Phân tập phát 63

3.4.1 Kênh đã biết tại đầu phát 63

3.4.2 Kênh chưa biết tại đầu phát – Sơ đồ Alamouti 65

3.4 Kết luận chương 67

KẾT LUẬN 68

TÀI LIỆU THAM KHẢO 69

PHỤ LỤC 70

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.2: Cấu trúc UTRAN 20

Hình 2.1: Tổn hao đường, che tối và đa đường (multipath) 26

Hình 2.2: Hình học kết hợp với chuyển dịch Doppler 27

Hình 2.3: Các sóng thành phần phản xạ, nhiễu xạ 29

Hình 2.4: Mô hình hai tia 30

Hình 2.5: Mô hình 10 tia 32

Hình 2.6: Mô hình tuyến tính từng khúc cho tổn hao đường 35

Hình 3.1: Kết hợp tuyến tính 44

Hình 3.2: SNR trong phân tập thu sử dụng SC trênh kênh fading Rayleigh 48

Hình 3.3: Xác suất gián đoạn của SC trong kênh fading Rayleigh 50

Hình 3.4: P b sử dụng điều chế BPSK cho SC trong fading Rayleigh 51

Hình 3.5: SNR của SSC 52

Hình 3.6: SNR trong phân tập thu sử dụng MRC trênh kênh fading Rayleigh 56

Hình 3.7: Xác suất gián đoạn của MRC trong kênh fading Rayleigh 58

Hình 3.8: P b sử dụng điều chế BPSK trong kênh fading Rayleigh với MRC 59

Hình 3.8: SNR trong kênh fading Rayleigh với MRC 61

Hình 3.10: SNR trong phân tập thu sử dụng SC, MRC, EGC 62

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1: Các đặc tính kỹ thuật cơ bản của W-CDMA 16

Bảng 2.1: Tổn hao vách ngăn điển hình 36

Bảng 2.2: Hàm mũ tổn hao đường điển hình 37

BẢNG KÝ HIỆU CÁC CHỮ VIẾT TẮT

AWGN Additive White Gaussian Noise

CDMA Code Division Multiple Access

EDGE Enhanced Data rate for GSM Evolution

FDMA Frequence Division Multiple Access

GSM Global System for Mobile Communication

IMT-2000 International Mobile Telecommunication

ISDN Integrated Servive Digital Network

OFDMA Orthogonal Frequency Division Multiple Access ODMA Opportunity Driven Multiplex Access

QPSK quadrature phase shift keying

RNS Radio Network Subsystem

SDMA Space Division Multiple Access

TDMA Time Division Multiple Access

UTRAN Universal Terrestrial Radio Access Network UMTS Universal Mobile Telecommunnication System WCDMA Wideband Code Division Multiplex Access

LỜI CẢM ƠN

Trước hết tôi xin gửi lời cảm ơn đến tất cả mọi người đã giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện và hoàn thành luận văn

Đặc biệt, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới PGS.TS Trần Hồng Quân, Thầy

đã trực tiếp hướng dẫn, chỉ bảo tận tình, chu đáo và có những nhận xét, góp ý quý báu giúp tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn cho đến khi luận văn được hoàn thiện

Tôi xin gửi lời cảm ơn đến tất cả các thầy cô giáo trong bộ môn Truyền dữ liệu và Mạng máy tính - Trường Đại học Công Nghệ - Đại học Quốc Gia Hà Nội

đã tạo mọi điều kiện và giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn này

Sau cùng, tôi xin cảm ơn chân thành tới gia đình cùng tất cả bạn bẽ đã luôn động viên, khích lệ tôi trong cuộc sống, lao động và học tập

Hà Nội, 10 tháng 10 năm 2010 Nguyễn Thượng Đức

MỞ ĐẦU

Trao đổi thông tin luôn là nhu cầu cấp thiết trong xã hội hiện đại Các hệ thống thông tin di động với lợi thế giúp con người trao đổi thông tin mọi lúc, mọi nơi đang ngày càng chiếm ưu thế và khẳng định ưu điểm nổi trội

Lộ trình GSM-GPRS-EDGE-3G tỏ ra đặc biệt phù hợp với các mạng thông tin di động của nhiều nước trên thế giới Đối với các nhà khai thác mạng di động GSM thì cái đích đến 3G là hệ thống CDMA băng rộng (W-CDMA) theo chuẩn IMT-2000 Tại Việt Nam, các hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3 cũng đã và đang được các nhà khai thác ráo riết triển khai và đưa vào sử dụng

Hệ thống thông tin di động thế hệ 3 với nhiều ưu điểm vượt trội về công nghệ và dịch vụ Tuy vậy môi trường fading hạn chế nhiều đến dung lượng và chất lượng truyền tin trên đó

Việc nghiên cứu, tìm ra giải pháp giảm can nhiễu để tăng dung lượng, giảm xác suất lỗi truyền số liệu trên đó là một bài toán hết sức cần thiết

Để thực hiện giảm can nhiễu trong hệ thống 3G, các nhà nghiên cứu tập trung vào các hướng chính:

 Tìm các giải pháp mã hóa có độ chống nhiễu cao

 Dùng các loại mã sửa sai phù hợp với đặc tính kênh truyền dẫn

 Cân bằng chống fading

 Phân tập cho máy thu – phát

Trong luận văn này, học viên nghiên cứu giải pháp thu phân tập, tiến hành tính toán, mô phỏng để từ đó tìm ra số anten phù hợp cho hệ thống phân tập thu

để có hiệu quả tốt nhất

Luận văn được chia làm ba chương

Chương một giới thiệu những nét đặc trưng về hệ thống thông tin di động 3G

Chương hai tập trung nghiên cứu các yếu tố làm suy giảm chất lượng thu tín hiệu Tính toán xác suất lỗi thu trong một số hoàn cảnh truyền dẫn của kênh Đây là chương làm nền tảng cho tính toán xác suất lỗi và so sánh chúng trong

hoàn cảnh không sử dụng giải pháp phân tập và sử dụng giải pháp phân tập ở chương ba

Chương ba tìm hiểu về các giải pháp phân tập sử dụng trong phân tập thu

Mô phỏng để làm rõ hiệu năng của hệ thống được cải thiện khi sử dụng các giải pháp phân tập kết hợp Đưa ra đánh giá các giải pháp phân tập đó

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI

hệ thứ ba với tên gọi IMT-2000 IMT-2000 đã mở rộng đáng kể khả năng cung cấp dịch vụ và cho phép sử dụng nhiều phương tiện thông tin Mục đích của IMT-2000 là đưa ra nhiều khả năng mới nhưng đồng thời đảm bảo sự phát triển liên tục của thông tin di động thế hệ thứ hai (2G) Thông tin di động thế hệ thứ

ba (3G) xây dựng trên cơ sở IMT-2000 được đưa vào phục vụ từ năm 2001 Các

hệ thống 3G cung cấp nhiều dịch vụ viễn thông bao gồm: thoại, số liệu tốc độ bit thấp và cao, đa phương tiện, video cho người sử dụng làm việc ở cả vùng công

sở lẫn vùng dân cư hay trên các phương tiện vận tải

Các tiêu chí chung để xây dựng IMT-2000 như sau:

 Sử dụng dải tần quy định quốc tế 2GHz như sau:

- Đường lên:1885-2025 MHz

- Đường xuống: 2110-2200 MHz

 Là hệ thống thông tin di động toàn cầu cho các loại hình vô tuyến

- Tích hợp các mạng thông tin hữu tuyến và vô tuyến

- Tương tác cho mọi loại dịch vụ viễn thông

 Sử dụng các phương tiện khai thác khác nhau

- Các phương tiện nhà ảo (VHE: Virtual Home Environment) trên cơ

sở mạng thông minh, di động cá nhân và chuyển mạch toàn cầu

- Đảm bảo chuyển mạch quốc tế

- Đảm bảo dịch vụ đa phương tiện đồng thời cho thoại, số liệu chuyển mạch kênh và số liệu chuyển mạch gói

 Dễ dàng hỗ trợ các dịch vụ mới xuất hiện

Môi trường hoạt động của IMT-2000 được chia thành bốn vùng với tốc độ bit

Rb như sau:

1 Vùng 1: Trong nhà, ô pico, Rb  2 Mbit/s

2 Vùng 2: Thành phố, ô micro, Rb  384 kbit/s

3 Vùng 3: Ngoại ô, ô macro, Rb  144 kbit/s

4 Vùng 4: Toàn cầu, Rb = 9,6 kbit/s

Các công nghệ được nghiên cứu để đưa ra các đề xuất cho hệ thống thông tin di động thứ ba bao gồm:

 W- CDMA ( Wideband CDMA: CDMA băng rộng )

 W- TDMA ( W TDMA: TDMA băng rộng )

 TDMA/ CDMA băng rộng

 OFDMA ( Orthogonal Frequency Division Multiple Access: Đa truy cập phân chia theo tần số trực giao)

 ODMA ( Opportunity Driven Multipe Access: Đa truy cập phân chia theo

1.1 Các đặc điểm của W-CDMA [4]

W-CDMA có các đặc điểm sau đây

 Hiệu suất sử dụng tần số cao

Về nguyên tắc, dung lượng tiềm năng của hệ thống được xem như giống nhau ngay cả khi các công nghệ đa truy cập như TDMA và FDMA được ứng dụng Trong khi CDMA thường được coi là có hiệu suất sử dụng tần số cao, điều này nên được hiểu theo nghĩa là trong CDMA rất dễ để nâng cao hiệu suất

sử dụng tần số Ví dụ, CDMA có thể đạt được một mức hiệu suất chắc chắn nhờ

kỹ thuật điều chỉnh công suất phát chính xác Ngược lại TDMA sẽ phải sử dụng đến kỹ thuật phân chia kênh động cực kỳ phức tạp để đạt được cùng mức hiệu suất như vậy Việc sử dụng các công nghệ cơ bản của hệ thống CDMA theo đúng cách sẽ đem lại hiệu suất sử dụng tần số cao cho hệ thống

 Dễ dàng quản lý tần số

Do CDMA cho phép các ô lân cận chia sẻ cùng một tần số nên không cần phải quy hoạch tần số Ngược lại, trong các hệ thống sử dụng FDMA và TDMA cần phải đặc biệt chú ý đến việc quy hoạch tần số do vị trí lắp đặt các trạm trong thực tế thường dẫn tới việc phải xét đến những mẫu truyền lan sóng bất quy tắc

và các đặc tính địa hình phức tạp Cần phải chú ý rằng các quy hoạch tần số không hoàn chỉnh sẽ làm giảm hiệu suất sử dụng tần số CDMA không cần có quy hoạch tần số như thế

 Công suất phát của máy di động thấp

Nhờ có quá trình tự điều chỉnh công suất phát (TPC) mà hệ thống CDMA có thể giảm tỉ số Eb/N0 (tỷ số tín hiệu trên nhiễu) ở mức chấp nhận được Điều này không những làm tăng dung lượng hệ thống mà còn làm giảm công suất phát yêu cầu để khắc phục tạp âm và nhiễu, đồng nghĩa với việc giảm công suất phát yêu cầu đối với đầu cuối Nó làm giảm giá thành và cho phép hoạt động trong một vùng rộng hơn với công suất thấp hơn so với hệ thống TDMA hoặc hệ thống tương tự có cùng công suất Ngoài ra, việc giảm công suất phát yêu cầu sẽ làm tăng vùng phục vụ và giảm số lượng BS yêu cầu so với các hệ thống khác

W-Một ưu điểm lớn hơn xuất phát từ quá trình tự điều chỉnh công suất phát trong hệ thống W-CDMA là nó có thể làm giảm công suất phát trung bình Trong đa số trường hợp thì môi trường truyền dẫn là một yếu tố thuận lợi trong W-CDMA Trong các hệ thống băng hẹp thì công suất phát cao luôn được yêu cầu để khắc phục hiện tượng fading theo thời gian Trong W-CDMA, công suất

trung bình có thể giảm vì công suất yêu cầu chỉ được phát đi bởi việc điều khiển công suất và công suất phát chỉ tăng khi xảy ra fading

 Sử dụng tài nguyên vô tuyến một cách độc lập trong đường lên và đường xuống

Trong W-CDMA, rất dễ cung cấp một cấu hình không đối xứng giữa đường lên và đường xuống Ví dụ, trong các hệ thông truy cập khác như TDMA

sẽ rất khó để phân chia các khe thời gian cho đường lên và đường xuống của một thuê bao độc lập với các thuê bao khác Trong FDMA, rất khó để thiết lập cấu hình không đối xứng cho đường lên và đường xuống vì độ rộng băng tần sóng mang của đường lên và đường xuống sẽ phải thay đổi Ngược lại, trong W-CDMA, hệ số trải phổ (SF) có thể được thiết lập độc lập giữa đường lên và đường xuống đối với mỗi thuê bao và nhờ đó có thể thiết lập các tốc độ khác nhau giữa đường lên và đường xuống Điều này cho phép sử dụng hiệu quả các tài nguyên vô tuyến ngay cả trong các loại hình thông tin không đối xứng Khi không phát dữ liệu thì tài nguyên vô tuyến không bị chiếm dụng Do đó, nếu một thuê bao chỉ thực hiện truyền tin ở đường lên và một thuê bao khác chỉ thực hiện truyền tin ở đường xuống thì tài nguyên vô tuyến được sử dụng tương đương tài nguyên cho một cặp đường truyền lên và xuống Thông thường, TDMA và FDMA sẽ phải phân chia hai cặp tài nguyên vô tuyến trong các trường hợp như vậy

Các thuộc tính băng rộng của W-CDMA cho hiệu suất cao theo các khía cạnh sau:

 Nhiều tốc độ dữ liệu

Băng thông rộng cho phép truyền dữ liệu ở tốc độ cao Nó cũng cho phép cung cấp có hiệu quả các dịch vụ khi có sự kết hợp các dịch vụ tốc độ thấp và dịch vụ tốc độ cao Ví dụ trong TDMA, các tốc độ truyền khác nhau được cung cấp bằng cách thay đổi số khe thời gian được phân chia, nhưng ở tốc độ thấp như tốc độ khi chỉ truyền tín hiệu thoại vẫn yêu cầu cùng mức công suất đỉnh như mức công suất yêu cầu cho các dịch vụ tốc độ cực đại

 Cải thiện các giải pháp chống fading nhiều tia

Công nghệ thu phân tập RAKE ( thu bằng nhiều anten) giúp nâng cao chất lượng tín hiệu thu bằng cách tách riêng các tín hiệu nhiều tia thành các tín hiệu

một tia để thu và kết hợp chúng lại Khi băng thông rộng sẽ cải thiện giải pháp truyền lan sóng và công suất thu yêu cầu sẽ không cần cao vì hiệu quả phân tập đường truyền làm số đường truyền tăng lên, giúp giảm công suất phát và tăng dung lượng

 Giảm tỉ lệ gián đoạn tín hiệu

Băng thông rộng làm tăng tốc độ bit trong kênh điều khiển và tạo ra khả năng giảm tỷ lệ bị gián đoạn tín hiệu thu Nhờ đó, các thiết bị đầu cuối có thể thu các tín hiệu ở mức thấp trong chế độ rỗi để tiết kiệm nguồn Điều này kéo dài thời gian chờ của pin ở thiết bị đầu cuối

1.2 Các đặc tính kỹ thuật cơ bản của W-CDMA [4]

Phương thức truy nhập CDMA trải phổ trực tiếp

Phương thức truyền 2 chiều ( song

Độ dài khung số liệu 10, 20, 40, 80 ms

Phương thức điều chế số liệu Đường xuống: QPSK, đường lên

BPSK Phương thức điều chế trải phổ Đường xuống: QPSK, đường lên

Phương pháp mã hóa thoại ARM ( 1,95 kbit/s – 12,2 kbit/s)

Bảng 1.1: Các đặc tính kỹ thuật cơ bản của W-CDMA Ghi chú: ARM: Mã hóa nhiều tốc độ thích ứng; BPSK: Điều chế pha hai trạng thái; FDD: Điều chế song công phân chia tần số; HPSK: Điều chế pha hỗn hợp (lai); QPSK: Điều chế pha bốn trạng thái

Ban đầu, Hiệp hội kinh doanh và công nghệ vô tuyến (ARIB) và Viện tiêu chuẩn viễn thông châu Âu ( ETST) đã chủ trương xây dựng các hệ thống vô tuyến tập trung trên sóng mang 5MHz và cũng có thể bao gồm các sóng mang 10MHz và 20MHz Dự án đối tác thế hệ thứ 3 (3GPP) tập trung hoàn thiện các đặc tính kỹ thuật cho độ rộng băng tần 5MHz và xóa bỏ các đặc tính kỹ thuật cho các băng tần khác Điều này có thể lý giải trong thực tế thì sóng mang có băng tần 5MHz là đủ để đạt được tốc độ truyền dữ liệu 2 Mb/s mặc dù bằng tần 20MHz sẽ hiệu quả hơn cho việc truyền dữ liệu ở tốc độ này Phiên bản hiện tại

về các đặc tính kỹ thuật được đưa ra bởi 3GPP và các tiêu chuẩn của ARIB và ETSI chỉ giới hạn độ rộng băng tần 5MHz

Chế độ không đồng bộ (dị bộ) được áp dụng giữa các BS sẽ tạo ra khả năng không cần phải đồng bộ chặt chẽ giữa tất cả các BS Nhờ việc thiết kế này cũng

có thể áp dụng chế độ đồng bộ giữa các BS Độ dài khung dữ liệu cơ bản là 10ms và cũng có thể có độ dài khác (bảng 1.1) do sử dụng xen kẽ

Phương thức điều chế tín hiệu được sử dụng là điều chế pha bốn trạng thái QPSK cho đường xuống và chiều chế pha hai trạng thái (BPSK) cho đường lên Phương thức điều chế pha hỗn hợp (HPSK) được áp dụng cho điều chế trải phổ

ở đường lên Quá trình tách sóng dựa trên phương pháp tách sóng nhất quán có

sự trợ giúp của ký hiệu pilot ( kí hiệu dẫn đường ) Đối với đường xuống, các ký hiệu pilot được ghép theo thời gian để giảm thiểu độ trễ trong quá trình điều chỉnh công suất phát (TPC) và đơn giản hóa các mạch thu trong thiết bị đầu cuối Đối với đường lên, các ký hiệu pilot được trải phổ bởi các mã trải phổ khác với số dữ liệu và được ghép vuông pha (I/Q) với dữ liệu Điều này đảm bảo cho quá trình truyền dữ liệu được liên tục ngay cả khi thực hiện truyền với tốc độ thay đổi để giảm thiểu các đỉnh trong sóng truyền Đây cũng là một cách hiệu quả để giảm ảnh hưởng của các trường điện từ và giảm yêu cầu đối với mạch khuyếch đại trong thiết bị đầu cuối

Sử dụng hệ số trải phổ (SF) biến thiên để thu được các tốc độ truyền dữ liệu khác nhau Đối với đường xuống, sử dụng hệ số trải phổ biến thiên trực giao (OVSF) được ứng dụng Ở đây cũng có thể sử dụng đa mã, mã xoắn để mã hóa kênh Đối với dữ liệu yêu cầu tốc độ cao, sẽ sử dụng mã Turbo

Phương pháp tín hiệu dẫn đường ( pilot ) được áp dụng hiệu quả vào vòng điều chỉnh công suất nhanh khép kín trong đường xuống Ngoài ra các ký hiệu pilot chung được sử dụng để điều chế các kênh chung hoặc kênh riêng

1.3 Cấu trúc mạng W-CDMA

Hệ thống W-CDMA được xây dựng trên cơ sở mạng GPRS Về mặt chức năng có thể chia cấu trúc mạng W-CDMA ra làm hai phần : mạng lõi (CN) và mạng truy nhập vô tuyến (UTRAN), trong đó mạng lõi sử dụng toàn bộ cấu trúc phần cứng của mạng GPRS còn mạng truy nhập vô tuyến là phần nâng cấp của W-CDMA

Ngoài ra để hoàn thiện hệ thống, trong W-CDMA còn có thiết bị người sử dụng (UE) thực hiện giao diện người sử dụng với hệ thống Từ quan điểm chuẩn hóa, cả UE và UTRAN đều bao gồm những giao thức mới được thiết kế dựa trên công nghệ vô tuyến W-CDMA, trái lại mạng lõi được định nghĩa hoàn toàn dựa trên GSM Điều này cho phép hệ thống W-CDMA phát triển mang tính toàn cầu trên cơ sở công nghệ GSM

 UTRAN (UMTS Terestrial Radio Access Network)

Mạng truy nhập vô tuyến có nhiệm vụ thực hiện các chức năng liên quan đến truy nhập vô tuyến UTRAN gồm hai phần tử :

- Nút B : Thực hiện chuyển đổi dòng số liệu giữa các giao diện Iub và Uu

Nó cũng tham gia quản lý tài nguyên vô tuyến

- Bộ điều khiển mạng vô tuyến RNC: Có chức năng sở hữu và điều khiển các tài nguyên vô tuyến ở trong vùng (các nút B được kết nối với nó) RNC còn

là điểm truy cập tất cả các dịch vụ do UTRAN cung cấp cho mạng lõi CN

 CN (Core Network)

- HLR (Home Location Register): Là thanh ghi định vị thường trú lưu giữ

PLMN,PSTN ISDN

Internet

Các mạng ngoài

MSC /VLR GMSC

GGSN SGSN

HLR

CN

RNC Node B

Node B

RNC Node B

thông tin chính về lý lịch dịch vụ của người sử dụng Các thông tin này bao gồm: Thông tin về các dịch vụ được phép, các vùng không được chuyển mạng

và các thông tin về dịch vụ bổ sung như trạng thái chuyển hướng cuộc gọi, số lần chuyển hướng cuộc gọi

- MSC/VLR (Mobile Services Switching Center/Visitor Location Register):

Là tổng đài (MSC) và cơ sở dữ liệu (VLR) để cung cấp các dịch vụ chuyển mạch kênh cho UE tại vị trí của nó MSC có chức năng sử dụng các giao dịch chuyển mạch kênh VLR có chức năng lưu giữ bản sao về lý lịch người sử dụng cũng như vị trí chính xác của UE trong hệ thống đang phục vụ

- GMSC (Gateway MSC): Chuyển mạch kết nối với mạng ngoài

- SGSN (Serving GPRS): Có chức năng như MSC/VLR nhưng được sử dụng cho các dịch vụ chuyển mạch gói (PS)

- GGSN (Gateway GPRS Support Node): Có chức năng như GMSC nhưng chỉ phục vụ cho các dịch vụ chuyển mạch gói

 Các mạng ngoài

- Mạng CS: Mạng kết nối cho các dịch vụ chuyển mạch kênh

- Mạng PS: Mạng kết nối cho các dịch vụ chuyển mạch gói

 Các giao diện vô tuyến

- Giao diện CU : Là giao diện giữa thẻ thông minh USIM và ME Giao diện này tuân theo một khuôn dạng chuẩn cho các thẻ thông minh

- Giao diện UU : Là giao diện mà qua đó UE truy cập các phần tử cố định của hệ thống và vì thế mà nó là giao diện mở quan trọng nhất của UMTS

- Giao diện IU : Giao diện này nối UTRAN với CN, nó cung cấp cho các nhà khai thác khả năng trang bị UTRAN và CN từ các nhà sản xuất khác nhau

- Giao diện IUr : Cho phép chuyển giao mềm giữa các RNC từ các nhà sản xuất khác nhau

- Giao diện IUb : Giao diện cho phép kết nối một nút B với một RNC IUb

được tiêu chuẩn hóa như là một giao diện mở hoàn toàn

1.3.1 Mạng truy nhập vô tuyến UTRAN

UTRAN bao gồm nhiều hệ thống mạng con vô tuyến RNS (Radio Network

Subsystem) Một RNS gồm một bộ điều khiển mạng vô tuyến RNC và các node

B Các RNC được kết nối với nhau bằng giao diện Iur và kết nối với node B bằng giao diện Iub

Hình 1.2: Cấu trúc UTRAN

1.3.1.1 Đặc trưng của UTRAN

Các đặc tính của UTRAN là cơ sở để thiết kế cấu trúc UTRAN cũng như các giao thức UTRAN có các đặc tính chính sau:

- Hỗ trợ các chức năng truy nhập vô tuyến, đặc biệt là chuyển giao mềm và các thuật toán quản lý tài nguyên đặc thù của W-CDMA

- Đảm bảo tính chung nhất cho việc xử lý số liệu chuyển mạch kênh và chuyển mạch gói bằng cách sử dụng giao thức vô tuyến duy nhất để kết nối từ UTRAN đến cả hai vùng của mạng lõi

- Đảm bảo tính chung nhất với GSM

- Sử dụng cơ chế truyền tải ATM là cơ chế truyền tải chính ở UTRAN

1.3.1.2 Bộ điều khiển mạng vô tuyến UTRAN

RNC là phần tử mạng chịu trách nhiệm điều khiển tài nguyên vô tuyến của UTRAN RNC kết nối với CN (thông thường là với một MSC và một SGSN) qua giao diện vô tuyến Iu RNC điều khiển node B chịu trách nhiệm điều khiển tải và tránh tắc nghẽn cho các ô của mình Khi một MS UTRAN sử dụng nhiều tài nguyên vô tuyến từ nhiều RNC thì các RNC này sẽ có hai vai trò logic riêng

biệt

- RNC phục vụ (Serving RNC): SRNC đối với một MS là RNC kết cuối cả đường nối Iu để truyền số liệu người sử dụng và báo hiệu RANAP (phần ứng dụng mạng truy nhập vô tuyến) tương ứng từ mạng lõi SRNC cũng là kết cuối báo hiệu điều khiển tài nguyên vô tuyến Nó thực hiện xử lý số liệu truyền từ lớp kết nối số liệu tới các tài nguyên vô tuyến SRNC cũng là CRNC của một node

B nào đó được sử dụng để MS kết nối với UTRAN

- RNC trôi (Drif RNC): DRNC là một RNC bất kỳ khác với SRNC để điều khiển các ô được MS sử dụng Khi cần DRNC có thể thực hiện kết hợp và phân tập vĩ mô DRNC không thực hiện xử lý số liệu trong lớp kết nối số liệu mà chỉ định tuyến số liệu giữa các giao diện IUb và IUr Một UE có thể không có hoặc có một hay nhiều DRNC

1.3.1.3 Node B

Chức năng chính của node B là thực hiện xử lý trên lớp vật lý của giao diện

vô tuyến như mã hóa kênh, đan xen, thích ứng tốc độ, trải phổ… Nó cũng thực hiện phần khai thác quản lý tài nguyên vô tuyến như điều khiển công suất vòng trong Về phần chức năng nó giống như trạm gốc của GSM

1.3.2 Giao diện vô tuyến [8]

Cấu trúc UMTS không định nghĩa chi tiết chức năng bên trong của phần tử mạng mà chỉ định nghĩa giao diện giữa các phần tử logic Cấu trúc giao diện được xây dựng trên nguyên tắc là các lớp và các phần cao độc lập logic với nhau, điều này cho phép thay đổi một phần của cấu trúc giao thức trong khi vẫn giữ nguyên các phần còn lại

1.3.2.1 Giao diện UTRAN – CN, I U

Giao diện IU là một giao diện mở có chức năng kết nối UTRAN với CN Iu

có hai kiểu : Iu CS để kết nối UTRAN với CN chuyển mạch kênh và Iu PS để kết nối UTRAN với chuyển mạch gói

 Cấu trúc I U CS

IU CS sử dụng phương thức truyền tải ATM trên lớp vật lý là kết nối vô tuyến, cáp quang hay cáp đồng Có thể lựa chọn các công nghệ truyền dẫn khác nhau như SONET, STM-1 hay E1 để thực hiện lớp vật lý

- Ngăn xếp giao thức phía điều khiển : Gồm RANAP trên đỉnh giao diện SS7 băng rộng và các lớp ứng dụng là phần điều khiển kết nối báo hiệu SCCP, phần truyền bản tin MTP3-b, và lớp thích ứng báo hiệu ATM cho các giao diện mạng SAAL-NNI

- Ngăn xếp giao thức phía điều khiển mạng truyền tải : Gồm các giao thức báo hiệu để thiết lập kết nối AAL2 (Q.2630) và lớp thích ứng Q.2150 ở đỉnh các giao thức SS7 băng rộng

- Ngăn xếp giao thức phía người sử dụng : Gồm một kết nối AAL2 được

Giao thức ứng dụng

Mạng báo hiệu báo hiệu Mạng số liệu Mạng

ALCAP

Luồng

số liệu

Phía điều khiển mạng truyền tải

Phía người sử dụng mạng truyền tải

Phía người sử dụng mạng truyền tải

- Ngăn xếp giao thức phía điều khiển mạng truyền tải IU PS : Phía điều khiển mạng truyền tải không áp dụng cho IU PS Các phần tử thông tin sử dụng

để đánh địa chỉ và nhận dạng báo hiệu AAL2 giống như các phần tử thông tin được sử dụng trong CS

- Ngăn xếp giao thức phía người sử dụng Iu PS : Luồng số liệu gói được ghép chung lên một hay nhiều AAL5 PVC (Permanent Virtual Connection) Phần người sử dụng GTP-U là lớp ghép kênh để cung cấp các nhận dạng cho từng luồng số liệu gói Các luồng số liệu sử dụng truyền tải không theo nối thông và đánh địa chỉ IP

1.3.2.2 Giao diện RNC – RNC, I Ur

IUr là giao diện vô tuyến giữa các bộ điều khiển mạng vô tuyến Lúc đầu giao diện này được thiết kế để hỗ trợ chuyển giao mềm giữa các RNC, trong quá trình phát triển tiêu chuẩn nhiều tính năng đã được bổ sung và đến nay giao diện

IUr phải đảm bảo 4 chức năng sau :

- Hỗ trợ tính di động cơ sở giữa các RNC

- Hỗ trợ kênh lưu lượng riêng

- Hỗ trợ kênh lưu lượng chung

- Hỗ trợ quản lý tài nguyên vô tuyến toàn cầu

1.3.2.3 Giao diện RNC – Node B, I Ub

Giao thức IUb định nghĩa cấu trúc khung và các thủ tục điều khiển trong băng cho các từng kiểu kênh truyền tải Các chức năng chính của IUb :

- Chức năng thiết lập, bổ sung, giải phóng và tái thiết lập một kết nối vô tuyến đầu tiên của một UE và chọn điểm kết cuối lưu lượng

- Khởi tạo và báo cáo các đặc thù ô, node B, kết nối vô tuyến

- Xử lý các kênh riêng và kênh chung

- Xử lý kết hợp chuyển giao

- Quản lý sự cố kết nối vô tuyến.

1.4 Kết luận chương

Chương này đã giới thiệu những nét đặc trưng về hệ thống thông tin di

động 3G Giới thiệu các đặc điểm của hệ thống W-CDMA, các đặc tính kỹ thuật

cơ bản của W-CDMA, cấu trúc mạng W-CDMA, mạng truy nhập vô tuyến UTRAN và giao diện vô tuyến

CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN

CHẤT LƯỢNG TRUYỀN DẪN

Kênh vô tuyến không dây tốc độ cao thường gặp phải nhiều vấn đề về môi trường truyền dẫn Nó không chỉ chịu ảnh hưởng của nhiễu, tạp âm và các vật cản kênh khác, những vật cản này lại thay đổi theo thời gian mà không dự đoán được bởi sự di chuyển của người dùng Trong chương này, chúng ta sẽ mô tả sự biến đổi công suất tín hiệu bên nhận theo khoảng cách do hiện tượng tổn hao đường và che tối Tổn hao đường không những là nguyên nhân gây ra tiêu hao công suất phát của máy phát mà còn ảnh hưởng tới kênh truyền tin

Thông thường, các mô hình tổn hao đường cho rằng tổn hao đường xảy ra

do khoảng cách giữa nơi truyền và nhận tin Che tối là nguyên nhân do che chắn giữa nơi gửi và nơi nhận tin, khi đó công suất tín hiệu suy hao thể hiện qua phản

xạ, tán xạ, nhiễu xạ Khi suy hao lớn, tín hiệu sẽ bị chặn lại Sự biến đổi vì nguyên nhân tổn hao đường do truyền đi trong một khoảng cách dài (100 →

1000 m), ngược lại sự biến đổi do che tối lại thể hiện rõ khi truyền đi trong một khoảng cách chỉ 10 → 100 m ở môi trường ngoài trời và thậm chí còn ngắn hơn với môi trường trong nhà

Sau khi mô tả và giới thiệu ngắn gọn mô hình tín hiệu, ta đưa ra mô hình đơn giản nhất cho việc truyền tín hiệu: tổn hao đường trong môi trường không vật cản Sau đó chúng ta mô tả mô hình nhiều tia Những mô hình như vậy được

sử dụng để ước tính xấp xỉ sóng sinh ra theo phương trình Maxwell, và là mô hình chính xác khi số lượng thành phần đa đường là nhỏ và môi trường vật lý là

đã biết Mô hình nhiều tia phụ thuộc nhiều vào các thuộc tính hình học và chất điện môi của vùng truyền tín hiệu

Tiếp theo ta mô tả mô hình tính toán theo kinh nghiệm với các tham số dựa trên đo đạc cho cả hai kênh trong nhà và ngoài trời Ta cũng đưa ra mô hình truyền đơn giản với một số tham số để giữ lại tác động ban đầu cho hệ thống phân tích Một mô hình logarit thông thường cho che tối dựa trên số lượng lớn các đối tượng che tối cũng được đưa ra Khi số lượng thành phần đa đường là lớn, các thuộc tính của hình học và chất điện môi của môi trường sinh là không được biết thì sử dụng các mô hình tĩnh

Hình 2.1: Tổn hao đường, che tối và đa đường (multipath)

2.1 Các mô hình truyền tín hiệu [1]

Những mô hình này được phát triển chủ yếu cho các tín hiệu trong băng tần UHF và SHF, tương ứng từ 0,3 – 3Ghz và 3 – 30 Ghz Sử dụng những băng tần thích hợp phù hợp với các hoạt động của hệ thống vô tuyến và các đặc điểm truyền và kích cỡ anten

Tất cả các tín hiệu phát và thu mà chúng ta xét, coi là thực Bởi vì các bộ điều chế được xây dựng sử dụng bộ dao động để tạo ra các dạng tín hiệu thực Các bộ điều chế và giải điều chế tín hiệu thường được trình bày là những phần thực của tín hiệu song công

Chúng ta đưa ra mô hình truyền tín hiệu được biểu diễn như sau:

s(t) = {u(t)e j2 c t

}

= {u(t)}cos(2f c t) - {u(t)}sin(2f c t)

= x(t) cos(2f c t) – y(t) sin(2f c t), (2.1)

Trong đó u(t) = x(t) + jy(t) là một tín hiệu dải tần cơ sở phức với các thành phần thực x(t) = {u(t)}, thành phần cầu phương y(t) = {u(t)}, băng thông Bu

và công suất Pu , tín hiệu u(t) được gọi là hình bao phức của s(t) Chúng ta gọi u(t) khi hình bao phức của s(t) và pha của u(t) là pha của s(t) Pha này bao gồm một số pha sóng mang bảo vệ Đây là chuẩn cho tín hiệu với băng thông B << fc, nó cho phép tín hiệu điều biến qua u(t) tương ứng với sóng mang Công suất truyền tín hiệu s(t) là Pt = Pu/2

Tổn hao đường Tổn hao đường và bóng râm Tổn hao đường, bóng râm và đa đường

Tín hiệu thu có dạng sau:

r(t) = {(t)e j2 c t

Trong đó giải tần tín hiệu phức (t) phụ thuộc vào kênh thông qua s(t) s(t) được truyền thông qua kênh thời gian không đổi thì (t) = u(t)*c(t), trong đó c(t) là giá trị phản hồi của kênh

Với các kênh thời gian thay đổi thì tín hiệu thu có chuyển dịch Doppler là:

fD = cos /  , trong đó  là góc tới của tín hiệu thu liên quan đến chuyển dịch trực tiếp,  là tốc độ truyền trực tiếp và =c/fc là bước sóng tín hiệu ( c = 3*108m/s là tốc độ ánh sáng )

Hình học kết hợp với chuyển dịch Doppler được thể hiện như hình 2.2 Các kết quả chuyển dịch Doppler từ thực tế là việc phát hay thu tín hiệu với một khoảng thời gian ngắn t sẽ gây ra sự thay đổi với khoảng cách d =  t cos

để truyền tín hiệu cần phải trải qua một khoảng cách tới nơi thu Sự thay đổi của pha có độ lớn   = 2  tcos /  Tần số Doppler được thể hiện trong mối quan hệ giữa tần số tín hiệu và pha:

Tín hiệu phát

Hướng chuyển động

giá trị ngẫu nhiên nhờ có hiệu ứng màn chắn Chúng ta định nghĩa tổn hao đường truyền của kênh là tỉ lệ công suất phát trên công suất thu

P L dB = 10 log 10

r

t P

P

Thông thường, tổn hao đường dB là một số không âm khi kênh đó không chứa các thành phần tích cực, vì thế không thể chí có suy hao tín hiệu Độ lợi đường truyền dB được định nghĩa là một số âm của tổn hao đường dB: PG = -

PL = 10 log10(Pr/Pt) dB Với che tối công suất thu sẽ bao gồm ảnh hưởng của tổn hao đường và một thành phần ngẫu nhiên được thêm vào bao quanh đối tượng

2.2 Tổn hao trong không gian tự do [1]

Chúng ta xem xét việc truyền tín hiệu thông qua không gian tự do tới nơi nhận với khoảng cách d từ nơi phát Giả sử rằng không có sự cản trở nào từ nơi phát và nơi thu và việc sinh tín hiệu dọc theo một đường thẳng giữa hai điểm

Mô hình này kết hợp với việc truyền dẫn được gọi là kênh nhìn thẳng (LOS – light of sight ) Tổn hao đường không gian tự do được đưa ra bởi công thức:

j

e t u d

Trong đó, G l là sản phẩm của quá trình bức xạ vùng anten thu và phát theo LOS Chuyển dịch pha e-j2 d/ 

theo khoảng cách d sóng truyền

Công suất trong truyền tín hiệu s(t) là Pt ,tỉ lệ của công suất thu phát là:

t

r P

kế với mục đích là tăng công suất thu sẽ làm tăng hàm của tần số cho các kết nối định hướng cao Công suất thu có thể được diễn tả theo dBm như sau:

P r dBm = P t dBm + 10log 10 (G l ) + 20log 10 () – 20log 10 (4) – 20log 10 (d)

2 ) 4

G l



2.3 Truyền lan nhiều đường [9]

Trong môi trường trong nhà hay thành phố, việc truyền tín hiệu vô tuyến từ một nơi cố định sẽ gặp nhiều vật cản làm suy hao hay nhiễu xạ tín hiệu phát như chỉ ra ở hình 2.3 Những tín hiệu bản sao của tín hiệu phát được gọi là các thành phần đa đường, có thể làm cho suy hao công suất, trễ thời gian và chuyển dịch pha hay tần số của tín hiệu truyền thẳng LOS tại thu Tín hiệu đa đường và tín hiệu phát được nhóm lại tại máy thu và gây ra kết quả thu được không chính xác tại máy thu

Hình 2.3: Các sóng thành phần phản xạ, nhiễu xạ

Trong truyền đa đường, chúng ta giả định một số hữu hạn các phản xạ đã biết vị trí và thuộc tính điện môi Đặc điểm của việc truyền đa đường có thể được giải quyết bằng cách sử dụng phương trình Maxwell với các điều kiện biên

thích hợp Kỹ thuật đa đường gần giống việc truyền sóng điện từ bằng cách đưa

ra các đầu sóng như là các thành phần đơn giản Vì thế những ảnh hưởng của phản xạ, nhiễu xạ và tán xạ của đầu sóng được tính xấp xỉ bằng việc sử dụng các phương trình hình học đơn giản thay vì sử dụng các phương trình sóng phức tạp của Maxwell Sai số của phương pháp này là nhỏ nhất khi phía thu có nhiều bước sóng từ sự tán xạ gần nhất và tất cả những sự tán xạ này có quan hệ mật thiết với bước sóng

2.3.1 Mô hình hai tia [6]

Mô hình hai tia được sử dụng khi một tia đơn phản xạ mặt đất ảnh hưởng đến đa đường như hình 2.4 dưới đây Tín hiệu thu được bao gồm hai thành phẩn: thành phần LOS hay là tia truyền tín hiệu qua không gian tự do, và thành phần còn lại là tia bị phản xạ bởi mặt đất

Hình 2.4: Mô hình hai tia Tia LOS thu được bởi công thức tổn hao đường không gian tự do Tia phản

xạ được thể hiện như trong hình 2.4 bằng việc phân đoạn x và x,

Nếu chúng ta bỏ qua ảnh hưởng của suy hao sóng bề mặt, thì sau đó tín hiệu thu cho mô hình hai tia sẽ là:

l j

e x

x

e t u G R l

e t u

) ( )

x và x, Trễ trải phổ của mô hình hai tia là độ trễ giữa tia LOS và tia phản xạ: ( x + x,

- l)/c

Nếu tín hiệu phát là băng hẹp và có quan hệ với trễ trải phổ ( <<  1

u

B ) thì sau đó u(t) u(t -  ) Với xấp xỉ, công suất thu được của mô hình hai tia cho truyền dẫn băng hẹp là:

e G R l

x + x,

) (h t h r d - 2 2

)

Trong đó nếu d là quá lớn so với ht + hr, chúng ta có thể sử dụng xấp xỉ

chuỗi Taylor trong công thức (2.13) và có:

cos

/ cos

r r

Và rlà hằng số điện môi của mặt đất Cho trái đất hay bề mặt đường, hằng

số điện môi này xấp xỉ điện môi sạch ( với rlà giá trị thực khoảng 15 )

Như chúng ta thấy trong hình 2.4 và công thức (2.15) thì đường tiệm cận d lớn x + x,  l d,   0, Gl Gr và R -1 Công suất tín hiệu thu được tính:

(2.16)

2.3.2 Mô hình 10 tia [3]

Chúng ta sẽ đánh giá mô hình cho thành thị phát triển bởi Amitay Mô hình này giả thiết nhà cửa dọc hai bên phố thẳng và chiều cao anten thu, phát gần với mức độ trên phố Một số tia có thể bị phản xạ của các ngôi nhà phía trước hoặc phía sau tới đầu thu Do năng lượng tín hiệu bị mất do phản xạ nên có thể bỏ qua đối với tia có 3 lần phản xạ Các đo đạc thực nghiệm chỉ ra rằng mô hình 10 tia phản xạ gần xấp xỉ với tín hiệu truyền qua hẻm núi 10 tia thực hiện tất cả các đường từ 1, 2 hoặc 3 phản xạ: LOS, phản xạ mặt đất (GR), phản xạ tường (SW), phản xạ tường kép (DW), phản xạ tường 3 lớp (TW), phản xạ tường – đất (WG)

và phản xạ đất – tường (GW) Mô hình 10 tia chỉ ra trong hình 6

x j i x

i l

j

i i

e x

e t u G R l

e t u

) (

Trong đó xi là độ dài đường phản xạ thứ i, i = (xi - l)/c, và G x i là độ lợi anten ứng với tia i Ri là hệ số phản xạ được tính theo (2.15), hằng số điện môi xấp xỉ với điện môi mặt đất, r= 15 dùng cho các tính toán Ri Với mô hình băng hẹp có u(t) u(t - i) thì công suất thu được tính

x

e G R l

i

Trong đó  i= 2(xi - l)/

2.4 Mô hình thực nghiệm

Môi trường hoạt động của hầu hết các hệ thống truyền thông di động rất phức tạp, do đó không thể mô hình hóa chính xác bằng tổn hao đường trong không gian tự do hay đa đường Một số mô hình tổn hao đường được phát triển

và những mô hình này dựa vào các giá trị thực nghiệm thông qua các giá trị khoảng cách, dải tần và đặc trưng địa lý

Trong mô hình thực nghiệm giá trị Pr/Pt được xem như là hàm của khoảng cách được định nghĩa bởi tổn hao đường Giá trị thực nghiệm Pr/Pt ảnh hưởng bởi tổn hao đường, che tối, đa đường được tính qua một vài bước sóng và giá trị tổn hao đường trung bình này gọi là suy hao trung bình (LMA)

P L (d) dB = L(f c ,d) + A mu (f c ,d) – G(h t ) – G(h r ) – G AREA (2.21)

Trong đó L(f c ,d) là suy hao đường trong không gian tự do ở khoảng cách d

và tần số f c , A mu (f c ,d) là suy hao trung bình, G(ht) là độ lợi phụ thuộc vào chiều cao anten trạm gốc, G(hr) là độ lợi phụ thuộc chiều cao anten di động và Gare là

hệ số độ lợi thực nghiệm của Okumura

) 3 / ( log 10

10 10

r

r

h h

Trong hệ thống thông tin di động 3G chúng ta không sử dụng mô hình này

2.4.2 Mô hình Hata [9]

Mô hình Hata là mô hình thực nghiệm áp dụng đối với dải tần số 150-1500 MHz Mô hình này đơn giản tính toán suy hao đường bằng sử dụng gần đúng và không dựa vào đường cong thực nghiệm cho các thông số khác nhau Công thức tổn hao đường thực nghiệm trong mô hình Hata cho bởi:

h r3m 3m < h r < 10m (2.24)

P L,rural (d)dB = 69.55 + 26.16log 10 (f c ) -13.82log 10 (h t ) – a(h r ) + (44.9

Các tham số trong mô hình này tương tự như mô hình Okumura và a(hr) là

hệ số hiệu chỉnh cho chiều cao anten di động dựa vào kích cỡ vùng phủ Đối với thành thị nhỏ và vừa, hệ số này cho bởi:

a(h r ) = (1.1 log 10 (f c ) – 0.7)h r –(1.56log 10 (f c ) – 0.8) dB, (2.26)

Mô hình không áp dụng trong tính toán các hệ thống di động 3G

2.4.3 Mô hình Hata mở rộng

Mô hình Hata được mở rộng cho tần số 2GHz như sau:

P L,urban (d)dB = 46.3 +33.9log 10 (f c ) – 13.82log 10 (h t ) –a(h r ) + (44.9 – 6.55log 10 (h t ))log 10 (d) + C M (2.29)

Với Cm là 0 dB cho thành phố nhỏ và nông thôn, và 3dB cho vùng

Hình 2.6: Mô hình tuyến tính từng khúc cho tổn hao đường

Dạng đặc biệt của mô hình tuyến tính từng khúc là mô hình độ dốc kép Mô hình này được đặc tính hóa bởi hằng số tổn hao đường K và các hàm mũ theo 1,

) / ( log 10

10 2 0

10 2

0 10 1

c t

t

d d d

d K

P

d d K

Với các giá trị mũ, K đạt được thông qua thực nghiệm

2.4.5 Hệ số suy hao trong nhà

Cấu trúc vật liệu và kích cỡ ở môi trường trong nhà rất khác nhau Sự đa dạng này ảnh hưởng đến tổn hao đường ở môi trường trong nhà Việc đo đạc trong dải các đặc tính xây dựng và tần số chỉ ra rằng suy hao trong nhà lớn nhất

ở tầng nền và giảm dần khi đi qua các tầng tiếp theo Chẳng hạn tại tần số 900MHz, suy hao trong trường hợp bộ phát và bộ thu phân cách nhau bởi 1 tầng duy nhất là 10-20 dB, trong khi tiếp theo suy giảm là 6-10dB/tầng với 3 tầng tiếp theo Ở tần số lớn hơn thì tổn hao ở mỗi tầng cũng lớn hơn Các vật liệu ngăn cách không gian, tính chất điện môi khác nhau và mỗi lần đo cũng cho kết quả tổn hao đường khác nhau Bảng 1 là ví dụ về suy hao ngăn cách không gian tại tần số 900 – 1300 MHz

Dạng vách ngăn Tổn hao vách ngăn (dB)

d0d d c

d > d c

Vật cách âm 3,9

Các chất liệu khác 26

Bảng 2.1: Tổn hao vách ngăn điển hình

Các dữ liệu thực nghiệm cho ra:

2.5 Mô hình tổn hao đường đơn giản [3]

Do tính phức tạp của môi trường truyền nên mỗi mô hình không đặc trưng chính xác tổn hao đường Để phân tích thiết kế các hệ thống khác nhau, người ta

có thể dùng mô hình đơn giản phù hợp với đặc tính cơ bản của quá trình truyền tín hiệu Tổn hao đường trong mô hình này xem là 1 hàm của khoảng cách:

Khi mô hình đơn giản được dùng xấp xỉ mô hình thực nghiệm, giá trị K < 1 cho không gian tự do tại d0:

K dB = 20 log 10

0

4 d