Cải thiện độ chính xác và thời gian tính toán trong bài toán dự đoán phân bố công suất tín hiệu thu dùng kỹ thuật ray tracking

Trong luận này, một mô hình mới được khảo sát để ứng dụng cho việc dự đoán truyền sóng bên trong nhà có khối lượng tính toán ít hơn mô hình Ray tracing truyền thống đồng thời chính xác c

TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUỐC GIA TPHCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM

µ ¸

THÁI THƯỢNG NHÂN

CẢI THIỆN ĐỘ CHÍNH XÁC VÀ THỜI GIAN TÍNH TOÁN TRONG BÀI TOÁN DỰ ĐOÁN PHÂN BỐ CÔNG SUẤT TÍN HIỆU THU DÙNG KỸ THUẬT RAY-TRACING

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS.ĐỖ HỒNG TUẤN

Cán bộ chấm nhận xét 1: PGS TS.PHẠM HỒNG LIÊN

Cán bộ chấm nhận xét 2: TS.PHAN HỒNG PHƯƠNG

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày 26 tháng 12 năm 2008

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên: Thái Thượng Nhân Phái: Nam

Ngày, tháng, năm sinh:16/08/1977 Nơi sinh: Bình Thuận

Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử MSHV: 01406322

I - TÊN ĐỀ TÀI:

CẢI THIỆN ĐỘ CHÍNH XÁC VÀ THỜI GIAN TÍNH TOÁN TRONG BÀI TOÁN DỰ ĐOÁN PHÂN BỐ CÔNG SUẤT TÍN HIỆU THU DÙNG KỸ THUẬT RAY-TRACING

II - NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

Đưa ra mô hình quang hình học mới để cải thiện thời gian tính toán trong kỹ thuật Ray-Tracing dùng trong Inbuilding

Xây dựng và dùng ngôn ngữ C# để mô phỏng mô hình mới này

LỜI CẢM ƠN

Tôi chân thành cảm ơn thầy TS Đỗ Hồng Tuấn đã tận tình hướng dẫn, tạo

mọi điều thuận lợi để tôi hoàn thành luận văn này

Tôi cũng chân thành cảm ơn quý thầy cô ở Khoa Điện-Điện tử trường Đại học Bách khoa Tp.HCM, những người đã truyền đạt kiến thức, định hướng nghiên cứu khoa học trong suốt khóa học

Cuối cùng xin cảm ơn gia đình và bạn bè đã giúp đỡ, động viên tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu

Xin trân trọng ghi nhớ

Thái Thượng Nhân

ABSTRACT

The ray-tracing (RT) algorithm has been used for accurately predicting the specific radio propagation characteristics, in spite of its computational intensity Statistical models, on the other hand, offers computational simplicity but low accuracy In this thesis, a new model is investegated for predicting the indoor radio propagation to achieve computational simplicity over the RT method and better accuracy than the statistical models The new model is based on the statistical derivation of the ray-tracing operation The pattern and length of the rays in these paths are related to statistical parameter of the site-specific features of indoor enviroment, such as the floor plan geometry A key equation is derived to relate the average path power to the site-specific parameters, which are:

site-1 Mean free distance

2 Transmission coefficient

3 Reflection coefficient

The equation of the average path power is then used to predict the received power in

a typical indoor environment To evaluate the accuracy of the new model in predicting the received power in a typical indoor environment, a comparison with

RT results and with measurement data

The purpose of this thesis is to introduce a new model for statistically predicting the indoor radio propagation in order to contrive a more computationally efficient method for predicting the received power within a building

Moreover, the programe is written by C# language Evaluating the average path power, optimizing coverage areas with base station and building layout we had

TÓM TẮT

Thuật toán Ray-tracing (RT) đã từng được sử dụng cho việc dự đoán chính xác đặc tính truyền sóng bên trong nhà mặc dù có hạn chế về khối lượng tính toán Mặt khác, những mô hình thống kê có sự tính toán đơn giản hơn nhưng độ chính xác thấp hơn Trong luận này, một mô hình mới được khảo sát để ứng dụng cho việc dự đoán truyền sóng bên trong nhà có khối lượng tính toán ít hơn mô hình Ray tracing truyền thống đồng thời chính xác cao hơn những mô hình thống kê thông thường

Mô hình mới này dựa trên những khảo sát lại đặc tính thống kê của phương pháp Ray-tracing Lộ trình và chiều dài của những tia trong phương pháp Ray-tracing có liên quan đến thông số thống kê của những đặc tính của môi trường bên trong nhà Những thông số đó là:

Mục đích của luận văn này là giới thiệu một mô hình mới cho việc dự đoán thống

kê việc truyền sóng vô tuyến bên trong nhà để tạo ra một phương pháp tính toán hiệu quả hơn cho việc dự đoán công suất thu

Ngoài ra, chương trình được thực hiện bằng ngôn ngữ C# Tính toán công suất đường đi trung bình, tối ưu vùng phủ sóng với trạm phát và sơ đồ tòa nhà cho trước

[ \

MỤC LỤC

Chương 1: Tổng quan

1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Phạm vi nghiên cứu 2

1.3 Lý do chọn đề tài 2

1.4 Bố cục luận văn 3

Chương 2: Cơ sở lý thuyết 2.1 Giới thiệu 4

2.2 Giới thiệu về kỹ thuật quang lý và phân phối Poisson 5

2.2.1 Truyền sóng trong không gian tự do 5

2.2.2 Truyền sóng trong nhà 7

2.2.3 Sự truyền qua và phản xạ với những điện môi vật liệu 11

2.2.4 Những tác động của bức tường và sàn nhà 18

2.2.5 Phân phối Poisson 19

2.3 Sơ lượt các mô hình 20

2.3.1 Mô hình thống kê 21

2.3.2 Mô Hình Okumura Và Mô Hình Hata 21

2.3.3 Mô Hình Over-Rooftop 22

2.3.4 Mô Hình Hai Độ Dốc Cho Môi Trường Microcell 23

2.3.5 Những thử thách đối với mô hình truyền sóng 24

2.3.6 Những mô hình khác 25

2.4 Kết luận 26 Chương 3: Những thuật toán dự đoán truyền sóng trong indoor

3.2 Truyền sóng 29

3.3 Kỹ thuật Shadowing 30

3.4 Kỹ thuật Beam-Tracing 32

3.5 Kỹ thuật Ray-Tracing 33

3.5.1 Phương pháp Shooting và Bouncing Ray (SBR) 37

3.5.2 Phương pháp ảnh 39

3.5.3 Phương pháp Hybrid 40

3.5.4 Thuật toán tăng tốc của Ray-tracing 40

3.5.5 Cải thiện sự chính xác của thuật toán Ray-tracing 45

3.6 Kết luận 48

Chương 4: Mô hình thống kê dự đoán truyền sóng vô tuyến trong indoor dựa vào quang học và xác xuất hình học

4.1 Giới thiệu 49

4.2 Công suất đường đi 49

4.2.1 Công suất đường đi, sự phản xạ, sự truyền qua 50

4.2.2 Tính toán f n m l( , ) 51

4.2.3 Tính toán q và p 52

4.2.4 Công thức tổng quát cho công suất đường đi 54

4.3 Công suất thu đa đường 55

4.3.1 Phân vùng mà R, T và λ được ước lượng 56

4.3.2 Ước lượng R và T 58

4.3.3 Ước lượng λ 59

4.4 Giá trị của mô hình dự đoán đã được đề nghị 60

4.4.1 So sánh với kết quả của RT 60

4.4.2 Kết quả từ mô hình Thống kê so với việc đo đạc 66

4.5 So sánh độ phức tạp tính toán của mô hình Thống kê và RT 68

4.6 Kết luận 70

Chương 5 : Kết quả mô phỏng và kết quả đo thực tế

5.1 Đặc điểm của mô hình dùng kỹ thuật RT và mô hình Thống kê 71

5.1.1 Mô hình dùng kỹ thuật RT 71

5.1.2 Mô hình Thống kê 72

5.2 Các phép biến đổi 72

5.2.1 Phương trình chính tắc Elip 72

5.2.2 Phép xoay 73

5.2.3 Phép tịnh tiến 73

5.2.4 Công thức tổng quát 74

5.3 Đối tượng hình học 75

5.3.1 Các đối tượng hình học đơn giản 75

5.3.2 Vector trong đồ họa 2D 75

5.4 Giải thuật 76

5.4.1 Các thông số cần tìm 77

5.4.2 Phóng tia 77

5.4.3 Giao nhau với bức tường 78

5.4.4 Sự phản xạ và truyền qua 80

5.5 Kết quả mô phỏng 82

5.5.1 Giới thiệu chuơng trình mô phỏng 82

5.5.2 Kết quả đo thực tế, dùng kỹ thuật RT và mô hình Thống kê 85

5.5.3 Sơ đồ hai anten phát 92

5.6 Kết luận và hướng phát triển 94

Phụ lục i

Tài liệu tham khảo iv

[ \

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 2.1: Tiêu hao đường truyền ở tần số 2,44 GHz trong không gian tự do .6

Hình 2.2: Tiêu hao đường truyền trong môi trường trong nhà ở tần số 2.4 GHz .10

Hình 2.3: “Fading nhanh” trong môi trường trong nhà .10

Hình 2.4: Sóng tới trong môi trường điện môi .13

Hình 2.5: Phân cực TE và TM 13

Hình 2.6: Hệ số phản xạ cho phân cực TE .15

Hình 2.7: Hệ số phản xạ cho phân cực TM .15

Hình 2.8: Công suất truyền qua / Công suất phản xạ của sóng đi trực tiếp 17

Hình 2.9: Công suất tiêu hao do phản xạ của sóng đi trực tiếp đối với một số chất liệu phổ biến trong nhà .17

Hình 2.10: Hệ số phản xạ đối với bức tường gạch ở tần số 2.44GHz .19

Hình 2.11: Hệ số truyền qua đối với bức tường gạch ở tần số 2.44GHz 19

Hình 2.12: Mô hình 2-tia .23

Hình 3.1: Giao diện chương trình WiSE .29

Hình 3.2: Phản xạ hình nón .30

Hình 3.3: Vùng Shadow 31

Hình 3.4: Tia ban đầu được quyết định bởi tam giác trên mặt cầu 34

Hình 3.5: Điểm khảo sát nhân tạo 35

Hình 3.6: Phân chia để giữ việc phân chia không gian 36

Hình 3.7: Thuật toán phóng tia .38

Hình 3.8: Tia hình nón (a) tia hình ống (b) 38

Hình 3.9: Minh họa phương pháp ảnh 39

Hình 3.10: Sự tạo ảnh và những vùng sáng của ảnh 42

Hình 3.11: Giản đồ minh họa phương pháp VPL 43

Hình 3.12: Sự quyết định cạnh va chạm bởi tia 45

Hình 4.1: Mô hình chữ nhật được dùng để tìm PDF của q và p .53

Hình 4.2: Phân phối xác suất của sự phản xạ (p) 53

Hình 4.3: Các thông số của mô hình và sự ảnh hưởng lên việc dự đoán kênh truyền 55

Hình 4.4: Minh hoạ cho đường đi có chiều dài lớn nhất liên quan đến hình dạng elip 57

Hình 4.5: Sơ đồ nhà tầng AK3 62

Hình 4.6: Dự đoán công suất bằng cách sử dụng mô hình Thống kê và RT ở AK3 (tần số

hoạt động là 900MHz) 64

Hình 4.7: So sánh công suất dự đoán bằng mô hình Thống kê và RT ở cả ba vùng của tầng nhà AK3 (tần số hoạt động là 900MHz) 65

Hình 4.8: Công suất dự đoán bằng mô hình Thống kê và RT theo khoảng cách Tx – Rx của tầng nhà AK3 (tần số hoạt động là 900MHz) 65

Hình 4.9: Sơ đồ tầng nhà AK2 66

Hình 4.10: Công suất dự đoán bằng mô hình Thống kê và đo đạc của tầng nhà AK2 (tần số hoạt động là 900MHz) 67

Hình 4.11: So sánh công suất dự đoán bằng dữ liệu đo đạc, Ray-tracing và mô hình Thống kê của tầng nhà AK2 (tần số hoạt động là 900MHz) 68

Hình 5.1: Vector v .75

Hình 5.2: Góc giữa 2 vector 76

Hình 5.3: Sơ đồ tầng nhà khảo sát .76

Hình 5.4: Phóng tia .77

Hình 5.5: Phóng tia với góc ϕ .78

Hình 5.6: Sự phản xạ tại bức tường .80

Hình 5.7: Mô tả cách tính vector r .81

Hình 5.8: Tia truyền qua và tia phản xạ 81

Hình 5.9: Giao diện lúc khởi động của chương trình .82

Hình 5.10: Giao diện chính của chương trình 83

Hình 5.11: Thông số nhập vào 83

Hình 5.12: Giao diện của cửa sổ thiết kế 84

Hình 5.13: Giao diện cửa sổ kết quả 85

Hình 5.14: Máy phát SMJ 100A 86

Hình 5.15: Máy thu Spectrum Analyzer 3.3Ghz Model 2650 86

Hình 5.16: Phòng đặt máy phát Tx .87

Hình 5.17: Hành lang phòng thí nghiệm 209B1 87

Hình 5.18: Máy đang đo ở vị trí thu trong phòng thí nghiệm 88

Hình 5.19: Sơ đồ và kết quả các vị trí thu .89

Hình 5.20: Kết quả mô phỏng và đo thực tế 92

Hình 5.21: Bảng đồ công suất thu 1 anten phát .92

[ \

DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU

Bảng 2.1: Hằng số điện môi của các vật liệu khác nhau .12

Bảng 4.1: Các thông số ước lượng cho vùng LOS 61

Bảng 4.2: Các thông số cho cả ba vùng ở AK3 63

Bảng 4.3: Các thông số cho AK2 66

Bảng 5.1: Sơ đồ tầng nhà khảo sát 76

Bảng 5.2: Kết quả dùng kỹ thuật RT 89

Bảng 5.3: Kết quả dùng mô hình Thống kê 90

Bảng 5.4: Kết quả đo thực tế và mô hình Thống kê 91

[ \

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

AZB Angular Z-Buffer

BER Bit Error Rate

FDTD Finite Difference Time Domain

GTD Geometrical Theory of Diffraction

LOS Light Of Sight

MIMO Multiple-Input Multiple-Output

MS Mobile Station

PDF Probability Distribution Function

SBR Shooting and Bouncing Ray

UTD Uniform Theory of Diffraction

VPL Vertical Plane Launch

WiSE A Wireless System Engineering Tool

Chương 1: Tổng quan

1.1 Đặt vấn đề

Dự đoán quá trình truyền tín hiệu vô tuyến và tính phân bố công suất trường điện từ của các trạm phát (BS) vô tuyến trong môi trường không gian (indoor, outdoor) là một vấn đề rất phức tạp Để xác định được những vị trí trạm phát tối ưu ta phải dự đoán được quá trình truyền sóng và tính được phân bố công suất trường trong môi trường đó, phụ thuộc vào những đặc tính của môi trường truyền và những kỹ thuật tính toán

Các mô hình được sử dụng để dự đoán quá trình truyền sóng và tính phân bố công suất này gồm: thực nghiệm, bán thực nghiệm và xác định Trong đó mô hình thực nghiệm và bán thực nghiệm vì chỉ dựa vào các thông số đo được trong một địa hình nhất định nên việc tính toán đơn giản nhưng kết quả không chính xác và không linh hoạt Trong khi đó mô hình xác định cho kết quả chính xác nhưng tính toán phức tạp

Lý thuyết được tính toán trong mô hình xác định như: lý thuyết hình học về sự nhiễu xạ (GTD), lý thuyết quang lý (PO), lý thuyết quang hình học (GO) và các phương pháp áp dụng trong mô hình này như: phương pháp hướng tính tích phân (IE), phương pháp sai phân hữu hạn trong miền thời gian (FDTD), phương pháp Moment (MoM), phương pháp Ray-Tracing

Phương pháp FDTD đưa ra để sử dụng phương pháp số giải các phương trình Maxwell Phương pháp Moment được sử dụng khi yêu cầu độ chính xác cao và kích thướt tòa nhà nhỏ Phương pháp Ray-tracing thích hợp trong việc dự đoán công suất tín hiệu cho các môi trường (indoor, outdoor) truyền sóng vô tuyến với độ chính xác cao nhưng tính toán phức tạp

Từ các phương pháp nêu trên để sử dụng phương pháp Ray-tracing hiệu quả và giảm bớt tính toán nhưng cho kết quả như nhau ta phải sử dụng thêm phương pháp

hổ trợ để cải thiện cho việc tính toán đơn giản hơn Ý tưởng ở đây, ta sử dụng một

mô hình Thống kê dựa trên những khảo sát đặc tính thống kê của phương pháp tracing, quang hình học và xác suất hình học cho việc dự đoán thống kê truyền sóng

Ray-vô tuyến để có một phương pháp tính toán hiệu quả hơn trong việc dự đoán công suất thu

1.2 Phạm vi nghiên cứu

Mục tiêu chính của đề tài là nghiên cứu mô hình thống kê dựa vào hình học, xác suất hình học và kỹ thuật Ray-tracing để cải thiện tính toán trong kỹ thuật Ray-tracing Đề tài cũng đánh giá khả năng việc cải thiện dự đoán đường truyền sóng và phân bố công suất trường điện từ trong indoor so với phương pháp Ray-tracing và

đo thực tế Kết quả mô phỏng không chỉ dùng lại ở việc đánh giá mà còn cho ta hình dung về bản đồ vùng phủ sóng trong các tòa nhà từ đó ta có thể thiết kế vùng phủ sóng cần thiết

Sử dụng phần mềm C#, viết chương trình mô phỏng nhằm chứng tỏ khả năng nâng cao đáng kể hiệu quả khi sử dụng mô hình này

1.3 Lí do chọn đề tài

Xu hướng ngày nay việc sử dụng những thiết bị vô tuyến ngày càng phát triển, mạng vô tuyến cũng phát triển nhiều nhưng vấn đề tối ưu vùng phủ sóng giữa các tế bào (cell) là vấn đề đang được các nhà khai thác viễn thông lớn trên thế giới đang quan tâm

Như chúng ta đã biết đặc tính chính của Ray-tracing là cường độ tính toán, đó là lí

do chính mà những công cụ dự đoán trở nên chậm chạp mặc dù độ chính xác của nó

so sánh được với những công cụ dựa trên mô hình thống kê Điều này thúc đẩy những nghiên cứu quan trọng để theo đuổi một phương pháp khác mà có thể gọi là Fast Ray-tracing, trong việc thử giải quyết thời gian tính toán Nhưng phương pháp khác này vẫn cần một dữ liệu sơ đồ tầng nhà phức tạp và cần quét tất cả các tia có liên quan đến công suất thu

Vì vậy, việc nghiên cứu và ứng dụng mô hình Thống kê này là hợp thời điểm Kết quả nghiên cứu này sẽ được dùng để xác định vị trí tối ưu anten phát và xác định vùng phủ sóng với sơ đồ tầng nhà (layout) cho trước

1.4 Bố cục luận văn

Luận văn gồm năm chương và nội dung các chương như sau:

Chương 1: Giới thiệu tổng quan về đề tài, phạm vi nghiên cứu và lí do chọn đề tài Chương 2: Cơ sở lý thuyết về kỹ thuật quang lý, quang hình học và các mô hình

truyền sóng vô tuyến

Chương 3: Trình bày những thuật toán dự đoán truyền sóng vô tuyến trong indoor Chương 4: Trình bày mô hình thống kê dự đoán truyền sóng vô tuyến trong indoor

dựa vào quang hình học và xác suất hình học

Chương 5: Trình bày những phương pháp thực hiện từ lý thuyết sang chương trình

mô phỏng, các kết quả mô phỏng đạt được và kết quả đo thực tế Kết luận và giới thiệu một số hướng phát triển tiếp theo của đề tài

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

2.1 Giới thiệu

Hầu hết các nhà thiết kế các ứng dụng không dây đều quan tâm những câu hỏi như sau: “Khoảng cách của một kênh truyền không dây đang hoạt động là bao nhiêu?” hay “Nếu tôi đặt một trạm ở đây và một ở chỗ khác thì có tồn tại một tuyến thông tin giữa hai trạm đó không?” Tuy vậy, để trả lời những loại câu hỏi như vậy thì không dễ dàng chút nào! Cách đơn giản nhất để trả lời các câu hỏi này là chúng ta phải so sánh hai điều sau:

- Dải động của hệ thống

- Tiêu hao do truyền sóng trường điện từ

Dải động là đặc tính của hệ thống mà các nhà thiết kế đều phải biết Nó sẽ quyết định độ tiêu hao công suất lớn nhất cho phép trong suốt kênh thông tin (giữa bộ phát và bộ thu), trong khi vẫn duy trì tuyến thông tin Ví dụ, một hệ thống được cho dải động là 80dB thì điều đó có nghĩa là trong thực tế bộ thu có thể phát hiện mức công suất 80dB thấp hơn công suất phát Theo đó, một hệ thống có công suất truyền

là 10dBm thì có thể phát hiện tín hiệu ở mức không thấp hơn -70dBm

Sự tiêu hao trong truyền sóng là một phần năng lượng bị mất đi trong suốt đường truyền sóng Đường truyền sóng là con đường mà sóng điện từ lan truyền từ nguồn

ở vị trí đặt bộ phát cho đến khi chúng đến bộ thu Ví dụ, nếu tiêu hao do truyền sóng trên đường truyền là 50dB, và công suất của bộ phát là 10dBm thì mức công suất ở

bộ thu sẽ là -40dBm

Mặt dù lí thuyết vật lí đã mô tả rất chính xác các dạng khác nhau của truyền sóng điện từ, nhưng chúng ta cũng cần phải hiểu rằng sự phức tạp của thực tế làm cho độ tiêu hao thực tế rất là khó dự đoán trước được Trong không gian tự do lí tưởng thì

sự lan truyền sóng có thể mô tả như là lan truyền theo hướng từ bộ phát đến bộ thu Tuy nhiên, hầu hết các ứng dụng ngày nay đều hoạt động trong môi trường khác

sóng từ sàn nhà, trần nhà, bức tường, đồ đạc trong phòng và nhiều thứ khác nữa sẽ

dẫn đến tình huống là sóng đến các vị trí của bộ thu theo nhiều đường khác nhau

(hiện tượng đa đường) Điều này sẽ làm tăng hoặc giảm công suất thu được so với

việc truyền sóng trong không gian tự do lí tưởng Sự hấp thu năng lượng của các vật

luôn tồn tại trên bất cứ đường truyền sóng nào, chẳng hạn như tường, cửa ra vào, và

thậm chí cơ thể người cũng ảnh hưởng đến việc tiêu hao trong truyền sóng Mọi

việc có thể trở nên phức tạp hơn khi hệ thống là các thiết bị di động Điều này có

nghĩa là tọa độ trong không gian của các bộ phát và bộ thu hay cả hai thay đổi theo

thời gian, vì thế tiêu hao trong truyền sóng cũng sẽ thay đổi Nhiều công cụ số học

và phương pháp tính toán đã được phát triển để giúp những nhà thiết kế dự đoán sự

tiêu hao do truyền sóng trong nhiều môi trường khác nhau Trong một vài trường

hợp, nó rất hiệu quả cho các nhà thiết kế sử dụng những mô hình đơn giản trong

việc dự đoán tiêu hao do truyền sóng

2.2 Giới thiệu về kỹ thuật quang lý và phân phối Poisson

2.2.1 Truyền sóng trong không gian tự do

Khi sóng điện từ lan truyền trong không gian tự do, đường đi của nó được mô tả

như là một tia nối trực tiếp giữa bộ phát và bộ thu Để tính toán tiêu hao do truyền

sóng trong không gian tự do, ta có thể dùng công tức Ferris Transmission [3]:

2

.4

r

t r t

P

g g

λπ

Trong đó P r là công suất thu, P t là công suất phát, g t và g r lần lượt là độ lợi của

anten phát và anten thu, R là khoảng cách vật lí giữa bộ phát và bộ thu Công suất

trong mô hình này sẽ suy giảm theo luật bình phương nghịch đảo (Inverse Square)

của khoảng cách giữa bộ phát và bộ thu

Công thức (2.1) có thể chuyển sang dạng quen thuộc hơn ở thang đo logarit và sự

tiêu hao do truyền sóng dưới dạng dB có thể được viết dưới dạng sau:

Trong đó G r và G t lần lượt là độ lợi anten thu và anten phát dưới dạng dB R là

khoảng cách giữa bộ phát và bộ thu, λ là bước sóng

Áp dụng bước sóng là 12,3 cm (tần số là 2,44 GHz) vào (2.2) ta được:

( )

2,44 r t 40,2 20log

Trong đó R là khoảng cách tính theo mét [m]

Có thể thấy trong hình 2.1 công suất tiêu hao trên một mét đầu tiên là 40,2dB, và

khi khoảng cách tăng lên 10 lần thì công suất mất thêm 20dB Khi đã biết dải động

của hệ thống thì từ công thức (2.3) ta có thể tính được R, và cũng có thể tính được

khoảng cách cực đại Ví dụ, hệ thống ở tần số 2,44 GHz, dải động là 80dB, và độ

lợi anten là 0dBi thì có thể đạt đến khoảng cách khoảng 97 m trong không gian tự

do

Lưu ý rằng độ lợi anten là một thuộc tính chi phối của anten và phải được xác định

dựa theo hướng tính của anten trong không gian liên quan đến hướng truyền sóng

khi áp dụng công thức trên

Hình 2.1: Tiêu hao đường truyền ở tần số 2,44 GHz trong không gian tự do

Và một điều cũng cần lưu ý thêm là mô hình này cho rằng anten được phân cực

thì một hệ số gây tiêu hao khác sẽ được thêm vào trong công thức Nhìn chung, đối với anten được phân cực tuyến tính lí tưởng thì sự tiêu hao do phân cực tỉ lệ với bình phương cosin của góc giữa các hướng phân cực Nếu 2 anten dipole được đặt sao cho nhìn nhau một góc 45o thì sự tiêu hao do phân cực là -3dB

Mô hình truyền sóng trong không gian tự do thì chỉ tốt trong việc xấp xỉ độ tiêu hao thực sự do truyền sóng trong trường hợp anten thu và anten phát được đặt gần nhau,

vì thế khoảng cách giữa chúng sẽ nhỏ hơn so với khoảng cách đến bất cứ vật phản

xạ nào đó Trong môi trường ngoài trời, nó sẽ chỉ chính xác khi những anten được đặt gần nhau hơn so với chiều cao của chúng so với mặt đất, vì thế sóng phản xạ từ mặt đất sẽ không còn quan trọng nữa và sẽ không gây nhiễu với sóng đi trực tiếp

2.2.2 Truyền sóng trong nhà

Ngày nay, nhiều ứng dụng đang hoạt động trong môi trường trong nhà, chẳng hạn như trong nhà dân hay trong toà nhà văn phòng Vì vậy, việc dự đoán tiêu hao do truyền sóng trong môi trường như thế là một công việc rất phức tạp Rắc rối chủ yếu trong các công cụ mô phỏng số học được sử dụng với mục đích này là bên cạnh chi phí thì chúng cần một “nguồn tài nguyên tính toán” (Computational Resources) Trong thực tế, chúng chỉ có khả năng mô phỏng các vùng đặc biệt Mặc dù, chúng rất chính xác nhưng sẽ chỉ áp dụng cho các vùng đó và mỗi một lần chỉ tính cho một

vị trí của bộ phát và bộ thu Chính vì thế, một phương pháp tổng quát hơn, đơn giản hơn luôn là cần thiết

Phương pháp tổng quát nhất trong việc dự đoán tiêu hao do truyền sóng trong nhà là

sử dụng những mô hình thực nghiệm Những mô hình thực nghiệm này dựa trên việc đo đạc thực tế trong một môi trường điển hình Bộ phát và bộ thu được đặt ở những vị trí khác nhau trong môi trường và công suất tiêu hao được đo đạc Một lượng lớn dữ liệu sẽ được thu thập lại và công suất tiêu hao sẽ được vẽ như là một hàm theo khoảng cách giữa bộ phát và bộ thu Nếu như trong mô hình không gian

tự do thì công suất suy giảm theo luật bình phương nghịch đảo của khoảng cách, thì trong mô hình thực nghiệm trong nhà cho thấy công suất trong môi trường trong nhà suy giảm khoảng 3 đến 4 lần khoảng cách [3] Điều này là do không có sự hình

thành can nhiễu của những sóng lan truyền theo những con đường khác nhau đến

anten thu, cộng với sự tiêu tán của những sóng đã va chạm các vật thể trên đường đi

của chúng

Hình 2.2 cho thấy kết quả của những cuộc thí nghiệm trong văn phòng của

RFWaves Những bức tường bên trong văn phòng được làm từ những tấm ván thạch

cao Anten phát và anten thu được đặt tại những vị trí khác nhau trong văn phòng,

độ cao là 1 m so với mặt đất và công suất tiêu hao sẽ được đo đạc Tần số trong

những lần đo đạc là 2,4 GHz Kết quả được vẽ như là một hàm của khoảng cách

giữa bộ phát và bộ thu Phương pháp bình phương cực tiểu được sử dụng để biểu

diễn kết quả thành một đường tuyến tính và có thể xấp xỉ thành công thức [3]:

( )

2,44 40 31log 8

indoor

Trong đó R là khoảng cách (tính bằng m) giữa bộ phát và bộ thu

Cũng như trong trường hợp không gian tự do (công thức 2.3), khi ta biết dải động

thì công thức (2.4) có thể tính được R và tìm được khoảng cách lớn nhất cho hệ

thống trong môi trường trong nhà tương tự như thí nghiệm mà ta đã làm

Ta có thể thấy từ hình 2.2, khi trong mô hình không gian tự do 2,4 Ghz, 1m đầu tiên

thì tiêu tán 40dB Điều này là do việc đo đạc được thực hiện ở vị trí có khoảng cách

bằng với chiều cao của anten và vì thế mà mô hình này có thể áp dụng được

Tuy nhiên, không giống như trong mô hình truyền sóng trong không gian tự do, khi

ta tăng khoảng cách lên 10 m, thì chúng ta bị mất thêm 31dB, trong đó hơn 11dB

chúng ta mất ở cùng khoảng cách trong không gian tự do Mặt khác, nếu cho một hệ

thống có dải động là 80dB, áp dụng công thức (2.4) để tìm R thì thấy hệ thống hoạt

động đến khoảng cách 19,5 m, trong khi đó kết quả mà ta nhận được đối với mô

hình không gian tự do dựa trên công thức (2.3) là 97 m

Hệ số 31 trong công thức (2.4) có nghĩa là công suất lúc này suy giảm theo khoảng

cách, do đó công suất được tính ở công thức (2.4) sẽ giảm nhanh hơn so với mô

khác nhau (chẳng hạn như những độ cao khác nhau của trần nhà, chất liệu khác nhau của sàn nhà và bức tường,…) những thí nghiệm khác nhau có thể cho những giá trị khác nhau cho hệ số này Thông thường các giá trị này chạy từ 3 đến 4 [3] Chúng ta cũng nên chú ý rằng sai số 8dB có thể tìm được trong thí nghiệm này Đây

là sai số thường thấy trong những mô hình loại này, và nó được đưa vào khi tính toán độ tiêu hao đường truyền Có 3 nguyên do chính cho hiện tượng này:

1/ Những điểm khác nhau trong môi trường mà ta đo đạc có thể cho giá trị khác nhau mặc cho khoảng cách là như nhau Điều này là do những đường truyền sóng khác nhau phụ thuộc vào những tính chất vật lí và kiến trúc của môi trường mà ta

đo đạc

2/ Tác động của fading trong không gian Điều này có thể nhận thấy rằng chỉ một thay đổi nhỏ trong toạ độ của bộ thu và bộ phát trong không gian, có thể làm thay đổi công suất thu với tầm 10dB Điều này xảy ra khi di chuyển từ “vùng chết” (Dead Zone) - nơi không có sự hình thành can nhiễu giữa những đường truyền sóng

vì thế công suất thu bị giảm - đến vùng có sự hình thành can nhiễu và công suất thu tăng Hiện tượng này được biết đến là “fading nhanh” Hình 2.3 cho chúng ta thấy

sự mô phỏng hiện tượng này dựa trên mô hình thực nghiệm Bản chất tự nhiên của hiện tượng này có thể được mô tả như là sự dao động ngẫu nhiên của công suất tín hiệu trong không gian xung quanh giá trị trung bình với một vài phân phối thống kê xung quanh giá trị đó

3/ Tác động của fading theo thời gian Khi những vị trí của bộ thu và bộ phát là không đổi trong không gian thì tín hiệu thu có thể thay đổi theo thời gian Hằng số thời gian điển hình cho sự lên xuống này là hằng số thời gian do con người chi phối (giây) [3], và chúng bắt nguồn từ thay đổi tự nhiên của môi trường, thường liên quan đến sự chuyển động của con người, mở hay đóng cửa ra vào, di chuyển xe cộ,… Sự chuyển động của con người tác động đến những đường truyền sóng khác nhau và vì thế truyền sóng bị tiêu hao

Hình 2.2: Tiêu hao đường truyền trong môi trường trong nhà ở tần số 2.44 GHz

Hình 2.3: “Fading nhanh” trong môi trường trong nhà

Mô hình thực nghiệm cho việc truyền sóng trong nhà chính là việc ước lượng tiêu hao trong truyền sóng ở môi trường trong nhà Tuy nhiên, mặc dù phương pháp này được dùng rất thường xuyên, nhưng chúng ta cũng nên nhớ rằng nó chỉ là sự đạt tới

sự trung bình tổng quát, mà không phản ánh được thực tế

toán tiêu hao truyền sóng bằng cách sử dụng đường ưu thế (Dominant Path) đi tới

Điều này đưa vào sự tính toán can nhiễu giữa các đường truyền sóng ưu thế Ví dụ,

những đường có tiêu hao truyền sóng nhỏ nhất Trong môi trường bên ngoài nhà,

những đường ưu thế thường là những đường đi trực tiếp và những đường của sóng

phản xạ từ mặt đất

Nhìn chung, sự chồng chập của những vùng bắt nguồn từ những đường ưu thế khác

nhau phải kể đến biên độ và pha của trường đến bộ thu từ mỗi đường, như được thể

hiện ở công thức (2.5)

n

i total n

n

Trong đó E total là tổng tất cả những đường ưu thế, E n là biên độ trường của sóng của

đường thứ n và ϕnlà pha của những sóng đó

Để tính toán tiêu hao đường truyền thông qua các đường khác nhau khi sử dụng các

đường ưu thế, thì chúng ta cần biết tiêu hao truyền sóng liên quan đến sóng phản xạ

và sóng truyền qua các chất liệu khác nhau

2.2.3 Sự truyền qua và phản xạ với những điện môi vật liệu

Sự di chuyển của sóng trường điện từ có liên quan đến điện môi vật liệu, một phần

phản xạ, một phần truyền qua (khúc xạ) vào môi trường điện môi Để tuân theo sự

bảo toàn năng lượng, tổng công suất của sóng phản xạ và sóng khúc xạ phải bằng

với năng lượng của sóng tới Hơn thế nữa, sóng trường điện từ di chuyển qua môi

trường điện môi mất một phần năng lượng của nó là do tiêu tán bởi sự phân cực của

điện môi vật liệu

Thông thường, khi ước lượng tiêu hao truyền sóng trong môi trường phức tạp, việc

tính toán các năng lượng phản xạ và năng lượng truyền qua các vật thể khác nhau,

tính toán hệ số công suất phản xạ và truyền qua điều này rất hữu dụng trong việc

ước lượng tiêu hao truyền sóng sử dụng đường truyền Những hệ số này phụ thuộc

vào tính chất điện môi của vùng điện môi, được xác định bằng hằng số điện môi của

nó Hằng số này thường được viết dưới dạng số phức (2.6), trong đó phần ảo thể

hiện sự tiêu tán năng lượng khi sóng lan truyền qua vùng điện môi

' ''

r r i r

Phần ảo phụ thuộc vào tần số cao và nó thường rất nhỏ so với phần thực Trong

nhiều trường hợp, nó có thể bị bỏ qua trong phân tích Một vài hằng số điện môi

(phần thực) của các vật liệu thông dụng trong nhà được trình bày ở bảng 2.1 Phần

ảo cho những vật liệu này vào khoảng 0,1 ở tầm tần số GHz [3] Điều quan trọng khi

đề cập đến các giá trị không xác định Chẳng hạn như, bức tường bê tông phía bên

ngoài nhà phải hứng chịu mưa gió có hằng số điện môi cao hơn so với khi chúng

được giữ khô ráo

Bảng 2.1: Hằng số điện môi của các vật liệu khác nhau

Hệ số phản xạ và hệ số truyền qua cũng phụ thuộc vào góc tới và sự phân cực của

sóng tới Cho sóng phẳng di chuyển trong không khí (ε =1) đến đường biên của môi

trường điện môi có hằng số điện môi ε (Hình 2.4) Để thoả mãn điều kiện biên

được cho bởi công thức Maxwell trên đường biên, thì góc phản xạ phải bằng với

góc tới Thêm nữa, định luật Snell [3] phải được thoả mãn, vì thế mối quan hệ giữa

góc tới và góc truyền qua là:

Trong đó θ là góc tới và θTlà góc truyền qua

Thực tế, việc di chuyển của sóng trường điện từ theo hướng nhất định được mô tả

bởi sóng điện và sóng từ theo định kì, cả hai đều cùng pha, trực giao với nhau và

(Transverse Electric) là trường điện vuông góc với mặt phẳng tới và trường từ song

song với nó, trong khi đó phân cực TM (Transverse Magnetic) là trường từ vuông

góc với mặt phẳng tới và trường điện song song với nó

Để tạo ra sự phân cực TM, chúng ta có thể đặt anten phát đơn cực (Monopole)

thẳng đứng với đường biên, trong khi đó đặt anten lưỡng cực (Dipole) song song

với đường biên có thể tạo ra phân cực TE Hình 2.5 thể hiện sự khác nhau của phân

Hệ số truyền qua cho phân cực TE được cho bởi công thức sau:

Hình 2.5 cho thấy hệ số phản xạ là một hàm của góc tới cho phân cực TE và các giá

trị khác của hằng số điện môi

Trong phân cực TM, hệ số phản xạ có thể được cho như sau:

cos coscos cos

T TM

Hình 2.5 cho thấy hệ số phản xạ là một hàm của góc tới cho phân cực TM và các

giá trị khác của hằng số điện môi

Trong tất cả những công thức tính hệ số phản xạ và hệ số truyền qua (2.8 – 2.11) thì

θ là góc tới, θT là góc truyền qua được quyết định bởi định luật Snell (công thức

2.7) và εlà hằng số điện môi của môi trường

Có thể thấy rằng, từ hệ số phản xạ trong phân cực TM như ở hình 2.5, không có

phản xạ xảy ra, có một góc mà ta gọi là góc Brewster và nó được biểu diễn như sau:

arctan

B

Hệ số phản xạ được thể hiện ở trên sẽ quyết định tỉ số giữa biên độ trường điện tới

và trường điện phản xạ Vì thế công suất phản xạ trung bình được tính bằng cách

Công suất phản xạ trung bình có thể được tính trên thang đo logarit, có thể bắt

Việc tính toán này có thể được dùng để tính tiêu hao truyền sóng do sự phản xạ Có thể thấy từ những biểu thức tính hệ số phản xạ, đối với những sóng đi trực tiếp (góc tới bằng 0), không có sự phân biệt giữa phân cực TM và TE Hình 2.8 cho thấy tỉ số trung bình của công suất phản xạ và công suất truyền qua trong trường hợp sóng đi trực tiếp là một hàm của hằng số điện môi

Từ hình 2.8 ta thấy với hằng số điện môi nhỏ hơn thì càng nhiều năng lượng được truyền qua, ít năng lượng bị phản xạ lại Đối với hằng số điện môi cao hơn thì hầu hết các năng lượng bị phản xạ và chỉ có một số ít được truyền qua Với hằng số điện môi vào khoảng 34 (ví dụ như đất ẩm) thì có một nửa năng lượng (3dB) được truyền qua và một nửa bị phản xạ lại Hình 2.9 thể hiện hệ số phản xạ trong tầm dB cho một vài vật liệu phổ biến trong môi trường trong nhà Có thể thấy rằng, những bức tường bằng thạch cao không phản xạ hoàn toàn, có khoảng 10dB bị tiêu hao trên phản xạ trực tiếp, trong khi đó sàn nhà bằng đá cẩm thạch thì có nhiều sự phản

xạ hơn và chỉ tiêu hao 5dB trên phản xạ trực tiếp Một lần nữa, chúng ta chú ý rằng những ví dụ trong những hình này là khá tổng quát Ví dụ, thuỷ tinh với mặt phẳng bằng kim loại, tường bê tông có sự tăng cường thêm kim loại, hay những sàn nhà bằng gỗ cũng có thể phản xạ cao và cho những hệ số phản xạ khác nhau

Qua phân tích ta thấy môi trường điện môi cung cấp cho chúng ta kết quả khá tốt về

hệ số phản xạ khi mà lớp điện môi là khá dày hoặc khi mà năng lượng tiêu hao qua bức tường (gây ra bởi phần ảo của hằng số điện môi) là cao Mỗi khi cần ước lượng

hệ số truyền qua và hệ số phản xạ qua những lớp mỏng hơn, thì sẽ phức tạp hơn Điều này sẽ được bàn đến trong phần sau Chẳng hạn như trong trường hợp chúng

ta phải xem sự phản xạ từ những phần bên trong của bức tường có thể gây can nhiễu cho sóng phản xạ chính Điều này gây ra phụ thuộc mạnh mẽ của hệ số phản xạ vào

độ dày của bức tường Tuy nhiên, khi bức tường có độ dày và hệ số suy hao (phần

ảo của hằng số điện môi) là đủ lớn thì sự suy hao làm giảm sự phản xạ bên trong và

sự phân tích lớp dày không xác định thì tốt cho việc ước lượng thực tế khi tính toán

hệ số phản xạ

Tóm lại, ta có thể ước lượng tiêu hao truyền sóng của sóng phản xạ khi mà biết chất lượng điện môi của vật liệu phản xạ Cũng có thể biết được một số năng lượng truyền qua mà thỉnh thoảng có thể được sử dụng để tính tiêu hao nhỏ do truyền sóng qua những lớp có độ dày xác định chẳng hạn như bức tường, sàn nhà

Hình 2.8: Công suất truyền qua / Công suất phản xạ của sóng đi trực tiếp

Hình 2.9: Công suất tiêu hao do phản xạ của sóng đi trực tiếp

đối với một số chất liệu phổ biến trong nhà

2.2.4 Những tác động của bức tường và sàn nhà

Trong môi trường trong nhà, khi mà một vài bức tường và sàn nhà nằm giữa bộ phát

và bộ thu, thì điều quan trọng là ước lượng tiêu hao đường đi qua bức tường và sàn nhà

Theo lí thuyết, bức tường và sàn nhà có thể phân tích thành một hay nhiều lớp vật liệu điện môi, song song với nhau và có độ dày xác định và hằng số điện môi phức

sẽ phụ thuộc vào vật liệu tạo thành lớp đó Khi sóng trường điện từ đập vào tường, sóng đứng sẽ hình thành

Áp dụng định luật Snell (công thức 2.4) trên mỗi lớp cho thấy góc truyền qua từ bức tường ra không khí ở hướng đối diện sẽ bằng với góc tới

Hệ số phản xạ và hệ số truyền qua có thể được tính toán và kết quả là hàm của góc tới, những đặc tính điện môi của bức tường và sự phân cực của sóng tới Phương pháp để tính toán sẽ không được đề cập ở đây

Hình 2.10 và 2.11 thể hiện lần lượt sự mô phỏng hệ số phản xạ và hệ số truyền qua

ở tần số 2,44 GHz cho bức tường gạch có độ dày 0,3 m với hằng số điện môi là 0,1i cho cả phân cực TE và TM Điều này có thể thấy trên hình 2.7 và 2.8, đó là

4-trong trường hợp đặc biệt, không hơn 2dB công suất bị tiêu hao 4-trong việc truyền qua bức tường ở cả hai sự phân cực, khi mà góc tới thấp hơn 600 Có thể thấy sự tiêu tán nhiều xuất hiện trong phân cực TM khi góc lớn hơn 600 Một điều thú vị khác là việc truyền đi hoàn hảo xuất hiện trong phân cực TE tại góc 650, khi đó bức tường hầu như là vô hình là do hiện tượng cộng hưởng [3]

Hình 2.10: Hệ số phản xạ đối với bức tường gạch ở tần số 2.44GHz

Hình 2.11: Hệ số truyền qua đối với bức tường gạch ở tần số 2.4GHz

2.2.5 Phân phối Poisson

Trong lý thuyết xác suất và thống kê, Phân phối Poisson là một phân bố xác suất rời rạc Nó khác với các phân bố xác suất rời rạc khác ở chỗ thông tin cho biết không phải là xác suất để một sự kiện (event) xảy ra (thành công) trong một lần thử như

trong phân bố Bernoulli, hay là số lần mà sự kiện đó xảy ra trong n lần thử như

trong phân bố nhị thức, mà chính là trung bình số lần xảy ra thành công của một sự

kiện trong một khoảng thời gian nhất định Giá trị trung bình này được gọi là lamda,

kí hiệu là λ

Phân phối Poisson còn được dùng cho khoảng mà đơn vị khác thời gian như: khoảng cách, diện tích hay thể tích Một ví dụ cổ điển là sự phân rã hạt nhân của các nguyên tử

Phân phối này được tìm ra bởi nhà toán học Siméon-Denis Poisson (1781–1840) và

đã được xuất bản cùng với lý thuyết xác suất của ông, vào năm 1838 với tựa đề

Recherches sur la probabilité des jugements en matières criminelles et matière civile ("Research on the Probability of Judgments in Criminal and Civil Matters")

Theo đó, nếu xem xét một biến ngẫu nhiên N nào đó, và đếm số lần xuất hiện (rời

rạc) của nó trong một khoảng thời gian cho trước Nếu giá trị kì vọng (hay số lần trung bình mà biến ngẫu nhiên đó xảy ra trong khoảng thời gian đó là λ, thì xác suất

để chính sự kiện đó xảy ra k lần (k là số nguyên không âm, k = 0, 1, 2, ) sẽ được

tính theo công thức

(2.16) với

• e là cơ số của logarit tự nhiên (e = 2.71828 )

• k là số lần xuất hiện của một sự kiện - mà xác suất của nó là cho bởi công

thức trên

• k! là giai thừa của k

• λ là số thực dương, bằng với giá trị kì vọng xuất hiện của sự kiện trong một khoảng cho sẵn Ví dụ, nếu một sự kiện trung bình xảy ra 1 lần trong 4 phút, giờ ta quan tâm số lần sự kiện xảy ra trong khoảng thời gian 10 phút, ta dùng

mô hình phân phối Poisson với λ = 10/4 = 2.5

2.3 Sơ lượt các mô hình

Những mô hình dự đoán tiêu hao đường truyền có thể được chia làm ba loại chẳng hạn như mô hình thực nghiệm, bán thực nghiệm và mô hình xác định (Site Specific Model)

Những mô hình thực nghiệm thường là một bộ các công thức toán học có nguồn gốc

từ việc đo đạc một môi trường rộng lớn Mô hình thực nghiệm thì đơn giản và hiệu quả cho việc sử dụng Chúng rất chính xác cho môi trường với cùng những đặc tính như nơi mà việc đo đạc đã diễn ra Những thông số vào của mô hình thực nghiệm thường là định tính và không chuyên biệt Một trong những điều trở ngại chính của

mô hình thực nghiệm là chúng không được sử dụng trong các môi trường khác nhau

mà không cần chỉnh sửa, và thỉnh thoảng chúng hoàn toàn vô dụng Ví dụ, mô hình thực nghiệm cho macrocell thì không được dùng cho picocell trong nhà

Những mô hình xác định được dựa trên phương pháp số học chẳng hạn như phương pháp Ray-tracing và phương pháp sai biệt thời gian xác định (FDTD) Thông số nhập vào có thể rất chi tiết và chính xác Sự bất lợi của mô hình xác định là sự tính toán rất lớn, vì thế chúng không được sử dụng trong môi trường phức tạp

2.3.1 Mô hình thống kê

Những thông số truyền sóng tầm nhỏ thường được đặc tả bởi một vài sự thống kê, chẳng hạn như truyền trễ, băng thông đồng bộ, Doppler, thời gian đồng bộ… Những thông số này sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến việc thiết kế các Rx và ảnh hưởng đến giá

trị ước lượng của BER (Bit Error Rate) Chúng làm dễ dàng cho sự mô phỏng hệ thống thông tin và cung cấp cách đo đạc chất lượng dịch vụ (Quality of Service – QoS)

2.3.2 Mô hình Okumura và mô hình Hata

Mô hình Okumura [4] là mô hình thực nghiệm dựa trên sự đo đạc rộng rãi được thực hiện ở Nhật Bản với một vài tần số trong khoảng từ 150-1920 MHz (cũng có khi lên tới 3000 MHz) Mô hình Okumura thì cơ bản phát triển cho macrocell với bán kính cell từ 1 đến 100 km Độ cao của anten phát vào khoảng 30-1000 m Mô

hình Okumura còn tính đến các thông số truyền sóng như kiểu môi trường và địa hình không đồng đều nhau Công thức dự đoán cơ bản được cho như sau:

Trong đó L mean(dB) là giá trị trung bình của tiêu hao đường truyền sóng, L freelà tiêu

hao đường đi trong không gian tự do được tính ở (2.17), A mu là giá trị suy hao trung

bình liên quan đến không gian tự do trong vùng thành thị, G(h te ) và G(h re ) là hệ số

độ lợi của anten trạm gốc và anten di động, và G correction là hệ số đúng liên quan đến môi trường A mu và G correction được quyết định bởi việc tìm kiếm chỗ vênh nhau từ đo đạc G(h te ) và G(h re ) được tính toán bằng các công thức đơn giản

Những thông tin về địa hình có thể được kể đến một cách định tính trong mô hình Okumura Ví dụ, môi trường truyền sóng có thể được phân loại như sau: vùng rộng thoáng (Open Area), vùng hầu như thoáng (Quasi-Open Area), vùng ngoại ô Những thông tin khác như sự biến đổi độ cao của địa hình, độ dốc trung bình của địa hình cũng có thể được kể đến

Mô hình Hata thì có cách thức dựa trên mô hình Okumura (dựa trên đồ hoạ) có thể được sử dụng hiệu quả hơn Tần số nằm trong khoảng từ 150-1500 MHz Nó cũng

đã mở rộng để bao phủ dải tần số từ 1500-2000 MHz trong dự án COST 231

2.3.3 Mô hình Over-Rooftop

Mô hình Over-Rooftop là mô hình lí thuyết điển hình, chính xác hơn mô hình Okumura cho việc mô tả môi trường thành thị Dựa trên quang vật lí và một vài điều kiện cho sẵn về dạng hình học của toà nhà và độ cao của anten BS, công thức tính bắt nguồn từ tín hiệu thu trung bình có được của những thiết bị di động Điển hình là việc cho rằng độ cao của những toà nhà là bằng nhau và khoảng trống giữa các toà nhà là y như nhau

Trong mô hình Over-Rooftop, tiêu hao đường đi (dB) là tổng của các tiêu hao trong không gian tự do và cái gọi là tiêu hao vượt quá (L ex), tiêu hao vượt quá này được

Saunder và Bonar [4] cũng đã khám phá ra việc truyền sóng qua đỉnh mái nhà cho trường hợp một loạt các toà nhà Vogler đã đề nghị phương pháp Over-Rooftop cho những toà nhà với những độ cao và khoảng cách thay đổi Phương pháp Bertoni và công thức Volger [4] được kết hợp với nhau để mô hình dự đoán cho việc truyền sóng qua đỉnh mái nhà đạt được sự hiệu quả và chính xác

So sánh giữa một vài mô hình truyền sóng qua đỉnh mái nhà cho hai loại toà nhà chẳng hạn như những toà nhà có cùng độ cao, cùng khoảng cách và những toà nhà

có độ cao và cách nhau không đều, thì người ta nhận thấy rằng chúng có những giá trị riêng của chúng và sẽ cho những kết quả chính xác hơn nếu được sử dụng cho những môi trường khác nhau (bao gồm dạng hình học toà nhà, độ cao anten liên quan đến độ cao trung bình của toà nhà…)

Hình 2.12: Hồi quy đa độ dốc tương thích với mô hình 2-tia

2.3.4 Mô hình hai độ dốc cho môi trường Microcell

Mô hình này được dựa trên sự đo đạc và được sử dụng cho việc truyền sóng thẳng (LOS) trong vùng thành thị Mô hình này dựa trên kĩ thuật truyền sóng 2-tia Ví dụ, tia truyền thẳng LOS và tia phản xạ từ mặt đất Mô hình này được mô tả bởi điểm gián đoạn, điểm này tồn tại để chia làm hai đặc tính khác nhau của truyền sóng trong vùng gần hoặc xa liên quan đến BS, như được thể hiện ở hình 2.12 Bằng việc

sử dụng phương pháp phân tích hồi quy của những dữ liệu được đo đạc trong vịnh San Francisco, nó thể hiện độ dốc trước điểm gián đoạn thì nhỏ hơn 2, trong khi đó

độ dốc sau điểm gián đoạn thì lại lớn hơn 2 [4]

Mô hình 2-tia cho truyền sóng LOS còn kể đến các ảnh hưởng của sự chuyển động

và các chướng ngại vật cao như cột trụ Điều đó cho thấy rằng khi chúng được tính đến trong mô hình này thì sự chính xác hơn có thể đạt được khi so sánh với kết quả thí nghiệm

2.3.5 Những thử thách đối với các mô hình truyền sóng

Sự phát triển nhanh của thông tin không dây đã dẫn đến việc sử dụng các băng tần

số cao hơn, kích thước cell nhỏ hơn, và những hệ thống anten thông minh, làm cho vấn đề dự đoán truyền sóng trở nên thử thách hơn

Trong macrocell, khi mà anten phát được đặt ở toà nhà cao, thì mô hình thực nghiệm và mô hình thống kê được sử dụng rộng rãi với độ chính xác chấp nhận được Nhưng khi ở microcell, đặc biệt là picocell, thì độ cao của anten phát có thể thấp hơn độ cao trung bình của toà nhà trong vùng liên quan Trong trường hợp này, dạng hình học của toà nhà và địa hình sẽ ảnh hưởng lớn đến sự truyền sóng vô tuyến, sẽ tạo ra một vùng bóng râm rộng lớn.Việc truyền sóng vô tuyến bên ngoài nhà qua các sự phản xạ từ những bức tường thẳng đứng và mặt đất, nhiễu xạ từ những cạnh ngang và thẳng đứng của các toà nhà, tán xạ từ các bề mặt không trơn nhẵn, và tất cả các tia kết hợp Không có một sự tổng quát nào cho mô hình thực nghiệm và mô hình thống kê cho việc dự đoán của những môi trường truyền sóng phức tạp

Những hệ thống anten thông minh đòi hỏi thông tin trên góc tới đa đường thêm vào những thông số thông thường như tiêu hao đường đi, lan truyền trễ Hệ thống nhiều đầu vào - nhiều đầu ra (MIMO) sử dụng đa đường để cung cấp khả năng chứa đựng cao hơn, khác hoàn toàn so với những hệ thống cổ điển mà trong đó sự đa đường là tai hại Tất cả những hệ thống mới này đều liên quan đến những mô hình kênh

Để giải quyết những môi trường truyền sóng phức tạp mới, những mô hình truyền sóng xác định được phát triển dựa trên kĩ thuật Ray-tracing Trong phương pháp Ray-tracing cơ bản, nhiệm vụ chính là quyết định quỹ đạo của tia phóng ra từ anten phát Phương pháp này liên quan đến việc tính toán sự giao nhau của tia với bề mặt (trong trường hợp 3D) hay tia với đoạn thẳng (trong trường hợp 2D) Thời gian tính toán có thể lớn hay thậm chí vượt quá khả năng chứa đựng của máy tính hiện tại nếu môi trường truyền sóng rộng lớn hay phức tạp Hiệu quả tính toán là một trở ngại lớn nhất của những ứng dụng của phương pháp Ray-tracing Sự hiệu quả của phương pháp Ray-tracing cũng là quan trọng cho việc cải thiện việc dự đoán chính xác khi mà một số loại tia như phản xạ, truyền qua, nhiễu xạ, tán xạ và các tia kết hợp có thể được tính đến

Độ chính xác của truyền sóng liên quan đến nhiều khía cạnh Điều này bao gồm sự chính xác của vị trí, kích thước của những toà nhà và sự hiểu biết chính xác các thông số về điện của những bức tường và những vật thể khác liên quan Cây cối, những cột trụ lớn, sự chuyển động, và người đi bộ trong môi trường bên ngoài nhà

và các đồ đạc trong môi trường trong nhà cũng làm ảnh hưởng đến kết quả Gần đây, đặc tính chính xác của cấu trúc phức tạp của bức tường cũng được tính đến chẳng hạn như những khối cửa sổ kim loại, là do yêu cầu của việc dự đoán chính xác hơn của kĩ thuật dự đoán truyền sóng bên trong và bên ngoài nhà Khi gặp những điều này, thì các phương pháp dự đoán hiện tại phải được chỉnh sửa và cải thiện, phương pháp và kĩ thuật mới phải được phát triển

2.3.6 Những mô hình khác

Mô hình 6-tia được đề nghị cho vùng thành thị LOS mà độ chính xác của nó có thể

so sánh được với kết quả đo đạc Các tia này lần lượt như sau: 1 tia trực tiếp LOS, 1 tia phản xạ mặt đất, 2 tia phản xạ với bức tường một lần và 2 tia phản xạ với bức tường hai lần

Mô hình vùng đến vùng (Area-to-Area) cho những vùng có địa hình bằng phẳng Một loạt các điều kiện nhỏ không đáng kể được thừa nhận và khi tình hình thực tế

khác với sự điều thừa nhận, hệ số sửa đúng (Correction Factor) sẽ được tính đến và thêm vào công thức dự đoán

2.4 Kết luận

Sự phức tạp của truyền sóng trong mô trường không lí tưởng đã được trình bày với

sự cố gắng đạt tới thực tế trong việc ước lượng tiêu hao do truyền sóng trong môi trường như thế,

Mô hình thực nghiệm cho việc dự đoán tiêu hao do truyền sóng trong môi trường trong nhà được đề nghị và được so sánh với mô hình không gian tự do Nó thể hiện

sự suy sự suy giảm cao theo khoảng cách khi tiến tới trung bình, nó cũng thể hiện việc dự đoán lỗi Việc chấp nhận tiêu hao do phản xạ và truyền qua được thể hiện trên việc tính toán hệ số phản xạ và hệ số truyền qua của các sóng, liên quan đến vật liệu điện môi Điều này thể hiện hệ số phản xạ và hệ số truyền qua phụ thuộc nhiều vào đặc tính điện môi của vật liệu, sự phân cực sóng và góc tới

Sự mô phỏng đã chứng minh tiêu hao do sóng truyền qua và sự phản xạ từ những lớp có độ dày xác định, chẳng hạn như tường Nó cho thấy bề rộng của tường và cấu trúc bên trong ảnh hưởng nhiều đến kết quả Ở chương này chúng ta đã thấy một loạt các mô hình dự đoán truyền sóng được trình bày với những công thức thực nghiệm đơn giản Cuối cùng, sự mô phỏng mô hình hai độ dốc cho thấy tác động của chiều cao anten lên sự tiêu hao do truyền sóng Nó cho thấy sóng phản xạ gây ra

sự suy giảm nghiêm trọng của tín hiệu do sự can nhiễu với sóng truyền trực tiếp

Mô hình hai độ dốc đã chứng minh đường đi ưu thế trong việc ước lượng tiêu hao truyền sóng Mô hình hai độ dốc còn thể hiện sự suy giảm nhiều do can nhiễu với sóng phản xạ từ mặt đất

Chương 3: Những thuật toán dự đoán truyền sóng trong Indoor

3.1 Giới thiệu

Mạng liên lạc không dây sử dụng máy vô tuyến rất quan trọng trong nhiều ứng dụng trong nhà Một mạng điển hình thì có một vài trạm vô tuyến đặt cố định để có thể liên lạc với mạng bên ngoài rộng hơn, có nhiều trạm vô tuyến di động xung quanh hơn

Vấn đề chung của việc thiết kế những hệ thống như vậy là việc sắp đặt các BS để chắc chắn là tín hiệu đã phủ khắp môi trường đó Việc truyền sóng vô tuyến thì rất phức tạp và hoàn toàn lệ thuộc vào cấu trúc toà nhà Những máy liên lạc thì rất đắt trong việc thiết kế của những người kỹ sư Do đó, những công cụ hỗ trợ thiết kế sẽ

dự đoán được việc truyền sóng vô tuyến, đưa ra những mô tả của toà nhà, các vị trí của máy trạm vô tuyến, tần số, công suất,…

Một mô hình truyền sóng vô tuyến đơn giản dựa trên quang hình học Một toà nhà với một loạt các bức tường, sóng vô tuyến từ một điểm nguồn sẽ được truyền đi theo đường thẳng với công suất giảm dần theo luật bình phương nghịch đảo Ở một bức tường thì một phần năng lượng sóng vô tuyến sẽ xuyên qua, còn một phần sẽ phản xạ hoàn toàn với tỉ lệ phụ thuộc vào vật liệu và góc tới Nhiễu xạ được bỏ qua trong mô hình này Những vị trí không dự đoán trước được của máy vô tuyến di động có thể xác định được bằng cách tạo ra bản đồ bao phủ [5] Trong đó thể hiện công suất thu được ở các điểm khảo sát trong khắp toà nhà Thông thường những điểm khảo sát được chọn là lưới điểm của những đường kẻ ô đều đặn

Mô phỏng việc truyền sóng vô tuyến là một thử thách trong việc tính toán Trong một toà nhà lớn thì có thể có đến hàng ngàn đường truyền sóng giữa trạm gốc và điểm khảo sát Tỉ số giữa công suất thu lớn nhất và nhỏ nhất phải là một dải động

106 hoặc lớn hơn Để cho việc mô phỏng có giá trị hơn, chính xác hơn thì ta nên tính trên toàn bộ dải động