ĐIỆN tử VIỄN THÔNG group 2 COST 231 model final khotailieu

Vấn đề truyền lan đa đường, ảnh hưởng của pha-đinh, được khắc phục nhờ sựphát triển của kỹ thuật phân tập không gian thực hiện trên các hệ thống thu phát đaanten.. Trước tìnhhìn

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

BẢNG PHÂN CÔNG CÔNG VIỆC 3

PHỤ LỤC HÌNH ẢNH 4

LỜI NÓI ĐẦU 5

CHƯƠNG 1: CÁC MÔ HÌNH TRUYỀN SÓNG TRONG THÔNG TIN VÔ TUYẾN 7

1.1 Tổng quan 7

1.2 Phân loại mô hình truyền sóng trong thông tin vô tuyến 7

1.2.1 Phân loại theo mục đích của các mô hình truyền sóng 7

1.2.2 Phân loại theo các hiệu ứng gây ra biến đổi cường độ tín hiệu tại điểm thu 8

1.3 Các mô hình suy hao Path Loss 8

1.3.1 Mô hình suy hao trong không gian tự do (free space propagation) 8

1.3.2 Mô hình hai tia 9

1.3.3 Mô hình nhiễu xạ vật nhọn 9

1.3.4 Mô hình RCS (Rada Cross Section) 10

1.3.5 Các mô hình thực nghiệm ngoài trời 10

1.3.5.1 Mô hình Okumura 10

1.3.5.2 Mô hình Hata 11

1.3.5.3 Mô hình COST 231 13

1.3.6 Các mô hình thực nghiệm trong nhà 14

1.3.6.1 Mô hình suy hao log – distance 14

1.3.6.2 Mô hình đa điểm gãy Ericsson 14

1.3.6.3 Mô hình hệ số suy hao 15

1.4 IMT-2000 15

2.1 Tổng quan về COST 231 17

2.2 Mô hình COST 231 – Hata 17

2.3 Mô hình COST 231 Walfisch – Ikegami 19

KẾT LUẬN 27

TÀI LIỆU THAM KHẢO 28

BẢNG PHÂN CÔNG CÔNG VIỆCHọ tên thành viên Nội dung công việc

Bùi Đình Hưng

Vũ Văn Duy

Nguyễn Tuấn Hà

Trần Đăng Huỳnh

Nguyễn Thị Hai (Nhóm

Nguyễn Tuấn Hải

Phạm Quang Hưng

Nguyễn Văn Kiên

Nguyễn Quang Hưng

COST 231-Hata Model (các thành phần, tham số,

công thức tính…)

Nguyễn Trọng Hòa

Tạ Huy Hoàng

Nguyễn Văn Hoàng

Lê Thị Hồng

Bùi Trung Hưng( Nhóm

Trưởng)

COST 231 - Walfisch –Ikegami Model (các thành

phần, tham số, công thức tính…)

Lều Đức Duy Ứng dụng, điều kiện, phạm vi áp dụng các mô hìnhCOST 231Đoàn Huy Giang Hiện trạng hiện nay và xu hướng phát triển COST 231

trong mạng di động GSM trong tương lai

PHỤ LỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1: Biểu đồ suy hao của tín hiệu theo khoảng cách 8

Hình 1.2: Mô hình hai tia 9

Hình 1.3: Mô hình nhiễu xạ vật nhọn 9

Hình 1.4: Đường cong dự đoán suy hao 11

Hình 1.5: Các tham số trong mô hình COST 231 Walfisch – Ikegami 13

Hình 1.6: Bảng giá trị các tham số mô hình suy hao log – distance 14

Hình 1.7: Suy hao theo mô hình Ericsson 14

Hình 2.1: Đồ thị suy hao mô hình COST 231 – Hata 19

Hình 2.2: Mô hình COST 231 Walfisch-Ikegami truyền sóng qua các tòa nhà 20

Hình 2.3: Mô hình COST 231 Walfisch-Ikegami trong môi trường NLOS 21

Hình 2.4: Xác định góc ϕ 22

Hình 2.5: Các tham số trong mô hình COST 231 Walfisch – Ikegami 22

Hình 2.6: Đồ thị suy hao sử dụng mô hình COST 231 Walfisch-Ikegami 25

LỜI NÓI ĐẦU

Thông tin di động tế bào là một hệ thống thống thông tin sẽ ra đời và phát triểnrất mạnh mẽ, đáp ứng được nhu cầu ngày càng cao của con người Trong quá trìnhphát triển mạng thông tin di động tế bào đang phải đối mặt với những thách thức tolớn Vấn đề truyền lan đa đường, ảnh hưởng của pha-đinh, được khắc phục nhờ sựphát triển của kỹ thuật phân tập không gian thực hiện trên các hệ thống thu phát đaanten Vấn đề suy hao truyền dẫn cũng đang được quan tâm, để khắc phục không chỉđơn thuần là tăng công suất phát vì nó ảnh hưởng tới yêu cầu nhỏ gọn, cơ động của cácmáy di động cầm tay Các hệ thống thông tin di động đang phát triển rất nhanh chóngvới nhịp độ trung bình 10 năm lại có một thế hệ thông tin di động mới ra đời Ở nước

ta trong những năm gần đây tình hình phát triển của thông tin di động cũng rất ngoạnmục với sự tăng trưởng rất nhanh của số mạng di động cũng như số thuê bao Với sựphát triển nhanh chóng của các dịch vụ dữ liệu, chắc chắn trong tương lai gần các hệthống vô tuyến di động thế hệ thứ 3 và hơn nữa sẽ xâm nhập vào Việt Nam Trước tìnhhình như vậy, việc tìm hiểu sâu về các mô hình truyền sóng và dự đoán tổn hao đườngtruyền cho các hệ thống như vậy là một việc hết sức cần thiết, có ý nghĩa quan trọngđối với công tác tính toán thiết kế vô tuyến cho các mạng di động từ 3G trở lên trongtương lai

Trước những vấn đề mang tính chất thời sự trên, việc nghiên cứu tìm hiểu vềcác mô hình truyền sóng và các mô hình dự đoán tổn hao đường truyền đã được pháttriển trong dự án COST 231 của Cộng đồng Châu âu cho các hệ thống vô tuyến diđộng từ 3G trở lên, đặc biệt là việc đi sâu tìm hiểu một số mô hình truyền sóng trongdải tần của các hệ thống thông tin di động thế hệ 3 có một ý nghĩa thiết thực trong xuthế hội nhập công nghệ viễn thông của chúng ta Xuất phát từ những vấn đề trên, nhóm

2 lớp Đ5.ĐTVT2 chúng em quyết định lựa chọn thực hiện tiểu luận với đề tài “Một số

mô hình truyền sóng COST 231”.

Mục tiêu của tiểu luận này là nghiên cứu tìm hiểu về các mô hình truyền sóng

và các mô hình dự đoán tổn hao đường truyền đã được phát triển trong dự án COST

231, tập trung đi sâu tìm hiểu một số mô hình truyền sóng trong dải tần của các hệthống thông tin di động Tiểu luận được thực hiên theo phương pháp: nghiên cứu đặcđiểm, cách thức thực hiện trên từng mô hình, trên cơ sở đó phân tích, so sánh và đánh

giá lợi thế cũng như khả năng ứng dụng của từng mô hình trong các điều kiện hệ thốngthực tế

Tiểu luận được bố cục thành 2 chương:

Chương 1: Các mô hình truyền sóng trong thông tin vô tuyến

Chương này khái quát chung về các loại mô hình truyền sóng, các cách phânloại chúng và đưa ra các công thức lý thuyết và thực nghiệm dự đoán suy hao đườngtruyền trong từng mô hình

Chương 2: Mô hình COST 231

Đối với các hệ thống thông tin di động 3G mô hình phù hợp nhất là Cost 231với dải tần 2GHz Trong chương này trình bày một số mô hình tính toán dự đoán suyhao truyền sóng đã được phát triển trong dự án COST 231 Chất lượng của các môhình cũng như giới hạn của chúng, được phân tích đánh giá chi tiết trong chương này

Chúng em hy vọng rằng tiểu luận này sẽ cung cấp được một góc nhìn cụ thểnhất về mô hình truyền sóng COST 231 Mặc dù cả nhóm đã nỗ lực và cố gắng rấtnhiều song do thời gian và trình độ có hạn, nội dung của bài tiểu luận này không thểtránh khỏi những thiếu sót, chúng em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp củacác bạn và thầy để tiếp tục chỉnh sửa và hoàn thiện bài tiểu luận này về cả nội dung vàhình thức trình bày

Qua đây, nhóm em xin cảm ơn thầy giáo TS Phạm Duy Phong đã giúp đỡ, chỉbảo tận tình trong suốt quá trình thực hiện tiểu luận

Chúng em xin chân thành cảm ơn!.

Hà Nội, tháng 11 năm 2013

Nhóm 2 Đ5-ĐTVT2 Khoa ĐTVT Trường Đại học Điện Lực

CHƯƠNG 1: CÁC MÔ HÌNH TRUYỀN SÓNG TRONG

THÔNG TIN VÔ TUYẾN 1.1 Tổng quan

Mô hình truyền sóng: Mô hình hóa quá trình truyền sóng từ bên phát đến bên

thu

Lan truyền sóng điện từ

Lan truyền qua môi trường vật lý

Môi trường truyền sóng: Khép kín mạch cho kênh thông tin  Để đảm bảo chất

lượng của kênh thông tin vô tuyến cần lưu ý đến môi trường truyền sóng, lựa chọn tầnsố công tác và chọn phương thức truyền sóng hợp lý

Tác động của môi trường truyền sóng :

- Làm suy giảm biên độ sóng

- Làm méo dạng tín hiệu tương tự

- Gây lỗi đối với tín hiệu số do nhiễu

Mục tiêu nghiên cứu quá trình truyền sóng:

- Xác định trường độ tại điểm thu khi biết các thông số của máy phát vàđiều kiện để thu được cường độ trường tối ưu

- Nghiên cứu sự phát sinh méo dạng hoặc gây lỗi tín hiệu và tìm biện phápkhắc phục

Sự suy giảm cường độ trường do các nguyên nhân:

- Sự phân tán năng lượng bức xạ khi lan truyền (suy hao khoảng cách)

- Sự hấp thụ của môi trường (tốn hao nhiệt)

- Sự nhiễu xạ sóng (tán xạ )

- Sự tán sắc

1.2 Phân loại mô hình truyền sóng trong thông tin vô tuyến

1.2.1 Phân loại theo mục đích của các mô hình truyền sóng

 Mô hình truyền sóng phạm vi lớn (large – scale): Dự đoán cường độ tín hiệu

thu trung bình tại một điểm cách anten phát một khoảng cách tương đối lớn

 Mô hình truyền sóng phạm vi hẹp (small – scale): Nghiên cứu sự thăng giáng

của tín hiệu thu tại lân cận một vị trí cho trước

1.2.2 Phân loại theo các hiệu ứng gây ra biến đổi cường độ tín hiệu tại điểm thu

 Mô hình suy hao đường truyền (Path Loss): Suy hao đường truyền do tiêu tán

công suất bức xạ của máy phát cũng như do hiệu ứng truyền lan sóng điện từtrong không gian

chướng ngại vật giữa máy phát và máy thu

dẫn đến hiện tượng fading

Hình 1.1: Biểu đồ suy hao của tín hiệu theo khoảng cách

1.3 Các mô hình suy hao Path Loss

1.3.1 Mô hình suy hao trong không gian tự do (free space propagation)

Mô hình này thích hợp với các trường hợp mà không có vật cản trong tầm nhìnthẳng giữa anten phát – thu Ví dụ như hệ thống thông tin vệ tinh, các tuyến thông tin

vi ba trong tầm nhìn thẳng

Công thức tính suy hao truyền sóng trong không gian tự do:

L fs = 32,4 + 20 log d +20 logf

1.3.2 Mô hình hai tia

Mô hình hình suy hao trong không gian tự do ít chính xác vì hiếm khi có trườnghợp mà máy thu chỉ nhận được một tia truyền thẳng từ máy phát Mô hình khác xâydựng gồm 1 tia LOS và 1 tia phản xạ mặt đất: mô hình hai tia

Mô hình này dùng khi không có chướng ngại vật giữa anten phát và thu, mặt đấtcoi là phẳng và dẫn điện tốt đối với sóng điện từ

Hình 1.2: Mô hình hai tia

1.3.3 Mô hình nhiễu xạ vật nhọn

Thực tế, có các vật cản chắn các tia LOS và tia phản xạ từ mặt đất nên người taxây dựng mô hình khác: mô hình nhiễu xạ vật nhọn

Hình 1.3: Mô hình nhiễu xạ vật nhọn

1.3.4 Mô hình RCS (Rada Cross Section)

Trong thực tế, tia sóng có thể đến gặp vật cản có bề mặt gồ ghề, bị tán xạ vàtruyền tới máy thu

RCS (Rada Cross Section) của vật thể tán xạ: Diện tích hiệu dụng tán xạ nănglượng sóng điện từ RCS càng lớn, vật thể càng dễ bị phát hiện bởi radar thu RCS đơnvị là m2

RCS (dBm2) là diện tích tương đối của vật thể tán xạ so với 1m2 tham chiếu

1.3.5 Các mô hình thực nghiệm ngoài trời

1.3.5.1 Mô hình Okumura

Trong các bản báo cáo của Okumura có chứa một tập hợp đường cong được xâydựng từ rất nhiều các phép đo được thực hiện từ năm 1962 đến 1965 Mục đích của nó

là miêu tả sự suy hao và sự thay đổi cường độ trường điện từ theo sự thay đổi của địahình

Okumura muốn tính toán một cách hệ thống đối với các loại địa hình khác nhau

và các môi trường khác nhau Do vậy, ông đã phân loại địa hình và môi trường nhưsau:

- Khu vực ngoại ô: khu làng xã, đường cao tốc với cây và nhà thưa thớt Trongkhu vực này có một số vật thể chắn nhưng không che chắn hoàn toàn

- Khu vực thành phố: là khu vực có nhiều nhà cao tầng san sát nhau, dân cưđông đúc, cây cối trồng thành hàng sát nhau.

Công thức Okumura:

L Okumura=Lfs+A m

Trong đó:

A m là hệ số suy hao dự đoán Okumura, được tra qua đồ thị đường cong.

L fs là suy hao lan truyền trong không gian tự do

L fs được tính theo công thức: L fs = 32,4 + 20 log d +20 logf

Hình 1.4: Đường cong dự đoán suy hao

Các phép đo của Okumura chỉ đúng cho các kiểu tòa nhà ở Tokyo và cần có sốliệu để có khả năng dự đoán các nhân tố môi trường trên cơ sở tính chất vật lý của cáctòa nhà xung quanh máy thu di động Ngoài ra, do kỹ thuật Okumura dùng để hiệuchỉnh mặt đất bất thường và các đặc điểm khác của đường truyền cụ thể nên cần có cácdiễn giải thiết kế Điều này làm cho mô hình Okumura không phù hợp cho việc sửdụng máy tính

1.3.5.2 Mô hình Hata

Vào năm 1980 M.Hata giới thiệu mô hình toán học trong việc tính suy giảmđường truyền dựa trên phân tích dữ liệu của Okumura Mô hình Hata được xây dựng

trên kinh nghiệm, đúc rút từ mô hình Okumura Mô hình Hata chuyển các thông tin vềsuy hao đường truyền có tính hình học của mô hình Okumura sang công thức toán học.

Trong mô này, ban đầu suy hao đường truyền được tính bằng cách tính hệ sốđiều chỉnh anten cho các vùng đô thị là hàm của khoảng cách giữa trạm gốc, trạm diđộng và tần số Hệ số này được đưa vào suy hao không gian tự do Kết quả được điềuchỉnh bằng các hệ số cho độ cao anten trạm gốc và trạm di động Ngoài ra, các hệ sốđiều chỉnh được cấp cho hướng phố, các vùng ngoại ô, các vùng mở và các địa khôngđều

Các điều kiện ràng buộc của mô hình Hata:

- Dải tần số làm việcf c : 150 ÷ 1500MHz

- Chiều cao anten trạm gốc BTS h b: 30 ÷ 200m

- Chiều cao anten trạm di động MS h m: 1 ÷ 10m

- Khoảng cách giữa BTS và MS d : 1 ÷ 20km.

Các biểu thức toán học được sử dụng trong mô Hata để xác định suy hao đườngtruyền:

Vùng đô thị (Urban):

L urban = 69,55 + 26,16 log f c + (44,9 – 6,55 log h b) log d – 13,82 logh b – a (h m) (dB)

a (h m) là hệ số hiệu chỉnh (dB) cho độ cao anten di động và được tính như sau:

 Đối với thành phố nhỏ và trung bình:

L rural = L urban– 4,78(logf c)2 + 18,33logf c – 40,94 (dB)

1.3.5.3 Mô hình COST 231

Mô hình này cho phép ước lượng tổn hao đường truyền chặt chẽ hơn thông quaviệc xem xét nhiều dữ liệu đặc tả môi trường đô thị bao gồm: Độ cao các tòa nhà h r,độ

rộng của các con đường w, khoảng cách giữa các tòa nhà h b, hướng đường phố so vớihướng truyền trực tiếp ϕ

Hình 1.5: Các tham số trong mô hình COST 231 Walfisch – Ikegami

COST 231 có 2 mô hình là COST 231-Hata và COST 231 Walfisch – Ikegami

Mô hình COST 231-Hata được mở rộng để có thể ứng dụng vào phạm vi truyền sónglên tới 100km, trên dải tần từ 1,5 đến 2GHz Mô hình COST 231 Walfisch – Ikegamiước lượng suy hao đường truyền trong môi trường đô thị, với dải tần làm việc từ 800đến 2000MHz Mô hình này được áp dụng cho cả đường truyền thẳng LOS và đườngtruyền gián tiếp NLOS Đối với đường truyền LOS, mô hình sẽ chuyển đổi về mô hìnhlan truyền trong không gian tự do Đối với đường truyền NLOS, mô hình sẽ được bổsung thêm 2 điều kiện về suy hao Điều kiện thứ nhất là suy hao nhiều bề mặt, nguyênnhân gây ra bởi tín hiệu lan truyền từ BTS qua các mái nhà Điều kiện thứ hai gây rabởi suy hao khúc xạ và tán xạ tại mái, cạnh tòa nhà, góc phố nơi máy di dộng đang ởđó Chi tiết về mô hình COST 231 sẽ được trình bày ở “ CHƯƠNG 2: MÔ HÌNHCOST 231 ”

1.3.6 Các mô hình thực nghiệm trong nhà

1.3.6.1 Mô hình suy hao log – distance

Suy hao truyền sóng trong nhà theo mô hình log – distance được chỉ ra bởi côngthức sau:

P L(dB) = P L(d0) + 10n log(d d0) + X σ

Với X σ là biến ngẫu nhiên chuẩn có độ lệch chuẩn σ

Bậc suy hao n phụ thuộc vào kiểu nhà

Hình 1.6: Bảng giá trị các tham số mô hình suy hao log – distance

1.3.6.2 Mô hình đa điểm gãy Ericsson

Mô hình này áp dụng cho tòa nhà văn phòng nhiều tầng Tần số tín hiệu900MHz

Hình 1.7: Suy hao theo mô hình Ericsson

1.3.6.3 Mô hình hệ số suy hao

Công thức tính suy hao trong mô hình hệ số suy hao được chỉ ra như sau:

´

P L(d)[dB] = P´L(d0)[dB] + 10n SFlog(d d0) + FAF[dB]

Trong đó:

- n SFlà bậc suy hao trong cùng một tầng của tòa nhà

- FAF là độ suy hao do ở các tầng khác nhau

1.4 IMT-2000

Thông tin di động thế hệ thứ hai GSM sử dụng kỹ thuật số với các công nghệ đatruy nhập phân chia theo thời gian (TDMA) và phân chia theo mã (CDMA) Đây là hệthống thông tin di động băng hẹp với tốc độ bit thông tin của người sử dụng là 8-13Kbps Trong thời gian gần đây, nhu cầu của khách hàng sử dụng dịch vụ thông tin diđộng ngày càng lên cao, đòi hỏi thông tin di động phải đáp ứng hơn nữa các nhu cầuvề tốc độ truyền dữ liệu, các dịch vụ gia tăng và nhu cầu về vùng phủ sóng cũng nhưtính tương thích của các thiết bị đầu cuối Sự phát triển của Internet cũng đòi hỏi thôngtin di động phải phát triển các hệ thống hỗ trợ khách hàng truy cập mạng với băngthông lớn, hỗ trợ đầy đủ các dịch vụ

Trước tình hình đó, Uỷ ban Viễn thông Quốc tế ITU đã đề ra mục tiêu phát triểnmột tiêu chuẩn mới cho thông tin di động được gọi là hệ thống thông tin di động thế hệthứ ba với tên gọi là IMT-2000 Tiêu chuẩn này phải đáp ứng các yêu cầu sau: