Chương 3 đặc điểm của kênh truyền trong thông tin di động

Do cónhiều hiện tượng phản xạ từ nhiều vị trí nên sóng điện từ đến máythu từ nhiều đường có chiều dài khác nhau gây ra giao thoa lẫnnhau gọi là fading đa đường và làm giảm cường độ sóng•

hưởng: suy hao, méo biên độ và méo tần số

không có đường truyền trực tiếp từ máy phát đến máy thu và tạinhững nơi có các cao ốc gây ra suy hao do nhiễu xạ rất lớn Do cónhiều hiện tượng phản xạ từ nhiều vị trí nên sóng điện từ đến máythu từ nhiều đường có chiều dài khác nhau gây ra giao thoa lẫnnhau gọi là fading đa đường và làm giảm cường độ sóng

• Các mô hình truyền sóng thường tập trung vào việc ước tính mứctín hiệu thu trung bình với cự ly tính từ máy phát cũng như sự thayđổi cường độ tín hiệu trong không gian gần vị trí đang xét

• Việc tính cường độ trung bình của tín hiệu nhằm xác định vùngphủ sóng của máy phát được gọi là mô hình diện rộng (large scale)với khoảng cách từ vài trăm đến vài ngàn mét

• Mặt khác mô hình truyền sóng được đặc trưng bởi sự thay đổi rấtnhanh của cường độ tín hiệu trong khoảng cách ngắn hoặc trongthời gian ngắn được gọi là mô hình diện hẹp hay mô hình fading

2

3

 Phản xạ, nhiễu xạ và tán xạ là ba cơ chế truyền sóng cơ bản gắnliền với quá trình truyền sóng trong thông tin di động

 Hiện tượng phản xạ xãy ra khi sóng điện từ lan truyền va chạmvới vật thể có kích thước lớn hơn nhiều so với bước sóng lantruyền chẳng hạn như mặt đất, các tòa nhà hay các bức tường

 Hiện tượng nhiễu xạ xãy ra khi đường truyền vô tuyến giữa máyphát và thu bị che bởi các bề mặt có cạnh và làm phát xạ sóng thứcấp khi đó không còn đường truyền line of sight Ở tần số cao hiệntượng nhiễu xạ giống như phản xạ nhưng phụ thuộc vào hình dạngvật thể che cũng như góc tới, biên độ, pha và cực tính của sóngđến tại điểm nhiễu xạ

 Hiện tượng tán xạ xãy ra trong môi trường truyền mà sóng đi qua

có vật thể có kích thước nhỏ so với bước sóng và số vật thể trongmột đợn vị thể tích là lớn

4

Xét mô hình phản xạ mặt đất như sau

Cường độ điện trường ETOT tại antenna thu được xác định như sau

E0 là điện trường trong không gian tự do tại điểm cách antennaphát là d0

 Ta cũng xác định công suất thu và suy hao đường truyền

 Hiện tượng nhiễu xạ được giải thích dựa theo nguyên lý Huygen

 Hiện tượng nhiễu xạ được sinh ra do quá trình lan truyền của

sóng thứ cấp trong vùng bị che chắn

 Xét mô hình với giả định h << d1, d2 và h >> 

7

 Khoảng cách giữa đường trực xạ và đường nhiễu xạ được gọi

là khoảng vượt 

 Sai biệt pha

 v là tham số nhiễu xạ Fresnel-Kirchoff

 Suy hao do nhiễu xạ knife-edge là hàm của v có thể được xácđịnh theo đồ thị hoặc tính gần đúng như sau

10

 Thực tế tín hiệu thu được trong môi trường thông tin di độngthường lớn hơn giá trị mà ta ước lượng với mô hình phản xạ,nhiễu xạ là do sóng RF khi lan truyền chạm phải bề mặt gồghề sẽ năng lượng phản xạ được trải ra theo mọi hướng và làmtăng thêm mức tín hiệu thu được

 Muốn xác định bề mặt gồ ghề dựa vào độ cao tiêu chuẩn hC.Nếu h là khoảng biến thiên từ chỗ lồi thấp nhất đến chỗ caonhất lớn hơn độ cao tiêu chuẩn thì được xem là bề mặt gồ ghề

 Nếu xác định được vật gây ra tán xạ đủ lớn và định được vị tríthì có thể xác định mức công suất thu

 Đối với các building trung bình và lớn có khoảng cách từ 5 – 10Km thì giá trị RCS có thể nằm trong khoảng 14.1 dB  m 2 < RCS < 55.7 dB  m 2

 Truyền dẫn vô tuyến trong thông tin di động thông thường xãy ra

ở những địa hình bất thường cũng như xuất hiện thêm các vật cảncũng cần được chú ý đến các mô hình truyền sóng outdoor vớimục đích chủ yếu là đánh giá mức tín hiệu thu ở những vị trítrong khu vực phục vụ (cell hoặc sector)

1 Mô hình longley-Rice: Mô hình Longley-Rice được sử dụng

trong các hệ thống thông tin điểm nối điểm hoạt động ở tần

số 40MHz đến 100GHz với các loại địa hình khác nhau.Suy hao môi trường truyền được xác định bằng biểu đồhình học và sự khúc xạ trong tầng đối lưu Suy hao donhiễu xạ cũng đước xét đến dựa vào mô hình knife-edgetham số Fresnel-Kirchoff

13

2 Mô hình Okumura

 Là một trong những mô hình được sử dụng rất phổ biến chokhu vực đô thị Mô hình này đáp ứng ở tần số từ 150MHz đến1920MHz và khoảng cách từ 1Km đến 100Km có thể sử dụngcho các antenna BTS cao trong khoagnr 30m đến 1000m

 Okumura đưa ra một tập các đường cong về suy hao Amu liênquan đến suy hao không gian tự do trong khu vực thành thị vớiđịa hình gần như bằng phẳng kết hợp với antenna trạm gốc cao200m và antenna đầu cuối di động cao 3m

 Để xác định suy hao đường truyền sử dụng mô hình Okumurathì cần xác định suy hao trong không gian tự do trước rồi đếngiá trị Amu(f,d) và các hệ số hiệu chỉnh như sau:

14

2 Mô hình Okumura

 Giá trị Amu(f,d) và GAREA được xác định dựa vào đồ thị

 Mô hình Okumura được xem là tốt nhất và chính xác nhất đểxác định suy hao đường truyền trong thông tin di động ở môitrường nội ô hay ngoại ô nhưng lại không phù hợp trong môitrường nông thôn

 Ví dụ: Xác định suy hao đường truyền theo mô hình Okumuravới d = 50Km, hte = 100m, hre = 10m trong môi trường ngoại

ô Nếu máy phát có EIRP = 1Kw hoạt động ở tần số 900MHz,xác định công suất thu (Giả sử độ lợi của antenna thu là 1)

16

17

3 Mô hình Hata: Mô hình Hata đưa ra công thức kinh nghiệm dựa

vào dữ liệu suy hao đường truyền bằng đồ thị của mô hìnhOkumura Mô hình hoạt động ở vùng tần số từ 150MHz đến1500MHz cho khu vực đô thị

 fc đơn vị là MHz có giá trị từ 150 đến 1500

 hte có giá trị 30m đến 200m

 hre có giá trị 1m đến 10m

 d là cự ly truyền đơn vị là Km

 a(hre) là hệ số hiệu chỉnh cho độ cao của antenna MS phụ

thuộc vào kích thước vùng phu sóng

19

69.55 26.16 log 13.82 log 44.9 6.55 log log

3 Mô hình Hata:

 Đối với khu vực nông thôn thì mô hình Hata được xác định

 Các tính toán của mô hình Hata cho kết quả rất gần với mô

hình Okumura ở cự ly trên 1Km nên mô hình này chỉ phủ hợpvới các cell có kích thước lớn

4 Mô hình Hata mở rộng: EURO Co-operative for Scientific

Technical đề nghị COST-231 được xem là mô hình Hata mởrộng đến tần số 2GHz

III Fading diện hẹp và đa đường:

 Fading diện hẹp hay đơn giản gọi là fading được xem

là hiện tượng thay đổi rất nhanh biên độ của tín hiệu

vô tuyến trong khoảng thời gian ngắn hoặc khoảng cách ngắn để có thể bỏ qua ảnh hưởng của suy hao đường truyền diện rộng (large- scale path loss)

 Fading được tạo ra bởi sự giao thoa của 2 hoặc nhiều phiên bản của tín hiệu phát mà chúng đến máy thu ở những thời điểm khác nhau Các sóng này được gọi là hiện tượng đa đường (Multipath)

23

Có 3 ảnh hưởng quan trọng nhất trong fading diện hẹp

 Sự thay đổi nhanh chóng cường độ tín hiệu trong

khoảng thời gian ngắn hoặc trong khoảng cách ngắn

 Điều chế tần số ngẫu nhiên do sự thay đổi dịch

Doppler trên những tín hiệu đa đường khác nhau

 Phân tán trong miền thời gian do trễ lan truyền đa

đường gây ra

24

Khi giữa máy phát và máy thu có sự dịch chuyển tương đối thì tần

số thu được có sự khác biệt so với tần số phát của sóng mang

 Từ phương trình trên nếu như mobile di chuyển về phíahướng đến của sóng thì độ dịch Doppler có giá trị dương Nếumobile di chuyển ra xa hướng đến của sóng thì dịch Doppler

có giá trị âm

 Ví dụ: Một máy phát bức xạ tín hiệu sóng mang ở tần số1850MHz Xác định tần số sóng mang thu được khi thuê bao

di chuyển với vận tốc 96Km/h theo hướng

a) Theo hướng hướng về máy phát

b) Hướng ra xa máy phát

c) Theo hướng vuông gốc với hướng truyền sóng

26

 Kênh truyền trong thông tin di động có thể được mô hình như là

bộ lọc tuyến tính có đáp ứng xung biến thiên theo thời gian

 Giả sử thuê bao di chuyển trên mặt đất với vận tốc v

 Ở vị trí cố định d thì kênh truyền giữa máy phát và thu được mô

hình như là kênh truyền tuyến tính bất biến theo thời gian Tuynhiên do sóng đa đường có thời gian trễ lan truyền khác nhauphụ thuộc vào d nên đáp ứng xung của kênh truyền là hàm phụthuộc d

27

v

d

d = vt

MultipathChannel

MultipathChannel

Mobile 1

Mobile 2Base

Station

1 st MC

2 nd MC

3 rd MC (Multipath Component)

4 th MC

1 st MC

2 nd MC

 Gọi x(t) là tín hiệu phát, y(d,t) là tín hiệu thu tại vị trí d, h(d,t) là

đáp ứng xung của kênh truyền

 Như vậy ngõ ra y(d,t) được xác định

 Hay ngõ ra y chỉ là hàm của t mà thôi

 Phương trình trên cho thấy kênh truyền trong thông tin di động

có thể mô hình như là kênh tuyến tính biến thiên theo thời gianvới kênh truyền thay đổi theo thời gian và khoảng cách

 Giả sử v là hằng số ở khoảng cách ngắn hay trong khoảng thời

gian ngắn thì h(t,) là đáp ứng xung đặc trưng cho kênh truyền.Biến t tượng trưng cho thời gian biến thiên do sự chuyển độngtrong khi  được xem là trễ đa đường của kênh truyền ở giá trị txác định Như vậy tín hiệu thu được sẽ là

 Nếu kênh truyền đa đường được giả định là kênh truyền

bandpass có băng thông giới hạn thì h(t,) có thể được biểu diễn

 hb(t,) được xem là là đáp ứng xung baseband đối với tín hiệu

ngõ vào là hình bao phức của tín hiệu phát (tín hiệu phát x(t) làtín hiệu bandpass) để được hình bao phức của tín hiệu ngõ ra y(t)

• r(t) và c(t) là hình bao phức của tín hiệu x(t) và y(t) tương ứng

),()

()

(t x t h t 

1 ( ) ( ) ( , )

2 b

r t  c t  h t 

) ,

( 2

Bandpass Channel Impulse Response Model

Baseband Equivalent Channel Impulse Response Model

c t e 

t

x(  ) Re ( )

Excess delay: Trể tương đối của thành phần thứ i so với đường đầu tiên đến máy thu

i : Excesss delay of ith multipath component, ND : Maximum excess delay

Có N thành phần đa đường (0 N-1)

Excess

Delay

Bin

Lưu ý 0  0 được xem là thành phần đa đường đầu tiên đến

đầu thu bỏ qua thời gian trễ lan truyền từ Tx đến Rx

 Do tín hiệu thu được trong kênh truyền đa đường bào gồm nhiều

bản sao của tín hiệu phát với suy hao, trễ trong miền thời gian,dịch pha nên đáp ứng xung baseband của kênh truyền đa đườngnhư sau:

 ai(t,) là biên độ có giá trị thực của thành phần đa đường thứ i

 i(t) là excess delay của thành phần đa đường thứ i ở thời điểm t

pha do quá trình truyền trong không gian tự do của thành phần đađường thứ i cộng với bất kỳ độ dịch pha nào gặp phải trên kênh

1

(2 ( ) ( , )) 0

 Nếu đáp ứng xung của kênh truyền là bất biến theo thời gian

trong khoảng thời gian hoặc trên khoảng cách gọi là diện hẹp thìđáp ứng xung trở thành

 Để xác định hb() thì một xung thăm dò giống như hàm xung đơn

vị được truyền đi

 Đối với mô hình kênh truyền diện hẹp thì power delay profile

của kênh truyền được xác định bằng cách lấy trung bình của

ở khu vực được xem là diện hẹp

) (

N

i

i

j i b

i

e a

) (

) ( t   t  

p

2

)

; (t 

h b

 Nếu xung p(t) có thời gian tồn tại nhỏ hơn nhiều so với đáp ứng

xung của kênh truyền đa đường thì power delay profile (phân bốcông suất thu theo thời gian trễ) được xác định

3 Các thông số của kênh truyền đa đường di động

 Thông số phân tán thời gian: Các tính chất phân tán thời gian của

kênh truyền đa đường băng rộng được xác định thông dụng nhất

là trễ vượt mức trung bình (Mean excess delay), và trải trễ hiệudụng (rms delay spread )

38

2

( ) b( ; )

P   k h t 

2

2

( ) ( )

40

 Băng thông kết hợp (Coherence Bandwidth): Băng thông kết hợp

là phép đo thống kê dải tần số mà kênh truyền có thể xem như làphẳng (nghĩa là kênh truyền cho các thành phần phổ đi qua có độlợi gần như bằng nhau và pha tuyến tính) Băng thông kết hợpnếu được định nghĩa là dải thông mà hàm tương quan tần số lớnhơn 0.9 thì

 Băng thông kết hợp (coherence bandwidth) nếu được định nghĩa

là dải thông mà hàm tương quan tần số lớn hơn 0.5 thì:

41

1 50

 Ví dụ: Xác định trễ vượt mức trung bình, trải trễ và trễ vượt mức

cực đại (10dB) cho profile đa đường như sau Xác đinh băngthông kết hợp 50% của kênh truyền

42

 Doppler Spread và Coherence Time:

 Trải trễ và Bc là các thông số diễn tả sự phân tán thời gian tựnhiên của kênh truyền ở một vùng (local area) Tuy nhiênchúng không đề cập đến sự biến thiên thời gian một cách tựnhiên của kênh truyền do sự chuyển động giữa mobile và BShoặc sự chuyển động của các vật thể trong kênh truyền TrảiDoppler và thời gian kết hợp là các thông số mô tả sự biến thiênthời gian một cách tự nhiên của kênh truyền trong phạm vị hẹp

 Trải Doppler BD là phép đo phổ mở rộng do sự thay đổi kênhtruyền vô tuyến di động tỷ lệ theo thời gian và được định nghĩa

là dải tần nhận được phổ Doppler Nếu chỉ có thành phần tần số

fc phát đi và phổ tần nhận được gọi là phổ Doppler nằm trongdải fc – fd và f c+ fd với fd là độ dịch Doppler 43

 Doppler Spread và Coherence Time:

 Nếu tín hiệu BB có băng thông lớn hơn BD thì có thể bỏ quaảnh hưởng của trải Doppler ở đầu thu Đây là kênh truyềnfading chậm

 Coherence Time là phép đo thống kê khoảng thời gian mà đápứng xung của kênh truyền không thay đổi và xác định số lượngđáp ứng kênh truyền ở những lần khác nhau Nói cách khác TC

là khoảng thời gian mà hai tín hiệu thu được có tương quanbiên độ điện áp đủ lớn Giá trị TC được đề nghị

 Doppler Spread và Coherence Time:

 Nếu tín hiệu BB có băng thông lớn hơn BD thì có thể bỏ quaảnh hưởng của trải Doppler ở đầu thu Đây là kênh truyềnfading chậm

 Coherence Time là phép đo thống kê khoảng thời gian mà đápứng xung của kênh truyền không thay đổi và xác định số lượngđáp ứng kênh truyền ở những lần khác nhau Nói cách khác TC

là khoảng thời gian mà hai tín hiệu thu được có tương quanbiên độ điện áp đủ lớn Giá trị TC được đề nghị

46

Fading do trải trễ đa đường:

Fading phẳng: Nếu kênh truyền có độ lợi là hằng số và phatuyến tính trên băng thông lớn hơn băng thông của tín hiệuphát thì tín hiệu thu sẽ bị ảnh hưởng bởi fading phẳng Đặctính của fading phẳng được cho như sau

Nếu độ lợi của kênh truyền thay đổi theo thời gian thì sẽ làmthay đổi biên độ của tín hiệu thu hay còn gọi là kênh truyềnbiến đổi biên độ Sự thay đổi biên độ thông thường được diễn

tả bởi hàm phân bố Rayleigh

47

48

Fading do trải trễ đa đường:

Fading lựa chọn tần số: Nếu băng thông của kênh truyền nhỏhơn băng thông của tín hiệu thì kênh truyền tạo ra fading lựachọn tần số đối với tín hiệu thu

49

50

B c

T c

Duration of Received Symbol

a Phân bố fading Rayleigh

Trong kênh truyền TTDĐ phân bố Rayleigh thường được dùng để

mô tả thống kê sự biến thiên theo thời gian của tín hiệu fadingphẳng hoặc một thành phần đa đường độc lập

Phân bố Rayleigh có hàm mật độ xác suất như sau:

  được xem là điện áp hiệu dụng của tín hiệu thu

 2 là công suất trung bình theo thời gian của tín hiệu thu

a Phân bố fading Rayleigh

Hàm mật độ xác suất có dạng

53

a Phân bố fading Rayleigh

Giá trị trung bình được xác định

Phương sai của phân bố Rayleigh được cho bởi

54

2 2

2

2 2

0

rr

b Phân bố fading Ricean

Khi tín hiệu thu nhận được một thành phần nonfading chẳng hạnnhư đường LOS thì tín hiệu thu có phân bố Ricean Hàm mật độxác suất có dạng

A là biên độ đỉnh của tín hiệu nonfading và I0(.) là thành phần bậc

0 của hàm Bessel

Phân bố Ricean cũng mô tả các đại lượng dưới dạng thông số Kđược định nghĩa là tỷ số giữa công suất tín hiệu xác định vàphương sai của đa đường

b Phân bố fading Ricean

Thông số K được gọi là hệ số Ricean

56

2 2

đa đường

 Có rất nhiều mô hình đa đường được đề nghị để giải thích các

thống kê quan sát được ở kênh truyền di động tự nhiên Tuynhiên mô hình Clarke được sử dụng rộng rãi

 Mô hình Clarke cho fading phẳng

57

đa đường

 Có rất nhiều mô hình đa đường được đề nghị để giải thích các

thống kê quan sát được ở kênh truyền di động tự nhiên Tuynhiên mô hình Clarke được sử dụng rộng rãi

 Mô hình Clarke cho fading phẳng: Mô hình được giả định là máy

phát cố định với antenna phân cực đứng Trường đến antenna thucủa mobile cũng được giả định là gồm N mặt sóng với góc phatùy ý, góc tới tùy ý và mỗi sóng có biên độ trung bình bằng nhau(giả định này được đặt ra là do không có đường LOS)

 Xét mobile di chuyển theo hướng x với vận tốc v và góc của

sóng tới trên mặt x-y

58