Chương 3: Mô phỏng tính toán đường truyền vô tuyến
3.2 Mô hình hóa hệ thống
3.2.2 Tổn hao đường truyền vô tuyến tầm nhìn thẳng(LOS)
Khái niệm Tầm nhìn thẳng (LOS) áp dụng trong đường truyền vô tuyến có môt ý nghĩa rất rõ ràng : các anten tại 2 đầu của tuyến có thể “nhìn” thấy nhau.
Trong nhiều trường hợp, LOS radio tương đương với LOS quang. Tuy nhiên, đường chân trời sóng radio xa hơn rất nhiều so với ánh sáng, bởi vậy khái niệm “nhìn” chỉ mang tính ước lệ. Sóng radio có thể truyền theo đường cong qua tầng khí quyển cũng như theo đường thẳng khi không có vật chắn. Điều đó có nghĩa khi xét tới tổn hao trong trường hợp này, ta còn phải xét tới các cơ chế khác ảnh hưởng tới nó:
Khúc xạ tầng khí quyển, nó thay đổi theo quỹ đạo của sóng vô tuyến và theo thời gian.
Hiệu ứng nhiễu xạ bởi các vật thể kề bên đường truyền.
Sự phản xạ bởi các vật thể gần hoặc xa đường truyền.
Độ dự trữ fading phẳng : tác động làm thay đổi mức ngưỡng thu của máy thu, khi bị ảnh hưởng bởi fading phẳng máy thu có thể nhận được tín hiệu rất yếu từ đường truyền và có thể làm gián đoạn thông tin với trường hợp fading mạnh. Do đó việc tính toán 1 lượng fading dự trữ là cần thiết cho đường truyền vô tuyến.
Fading lựa chọn: fading lựa chọn chủ yếu ảnh hưởng đến hệ thống viba số có dung lượng trung bình 34Mb/s và dung lượng cao 140Mb/s
Tiêu hao do mưa: tiêu hao do mưa tăng nhanh theo sự tăng của tần số sử dụng, đặc biệt với các tần số trên 35GHz thường tiêu hao nhiều, do đó để đảm bảo thì khoảng cách lặp phải nhỏ hơn 20km.
Trong phần này để đơn giản vấn đề ta coi như các yếu tố trên không bị ảnh hưởng lên đường truyền. Ở đây ta chỉ xét đến 2 yếu tố phổ biến và có ảnh hưởng nhiều đến việc suy hao tín hiệu trong đường truyền đó là xét miền Fresnel và suy hao phản xạ.
3.2.2.1 Nhiễu xạ và miền Fresnel
Trong quá trình tính toán suy hao truyền sóng vô tuyến thì ta cần xét đến miền Fresnel. Miền Fresnel là miền có dạng hình elip từ anten phát đến anten thu, là một môi trường vây quanh tia nhìn thẳng LOS. Đường biên của miền Fresnel thứ nhất tạo nên quỹ tích sao cho bất kỳ tín hiệu nào đi đến anten thu qua đường này sẽ dài hơn so với đường trực tiếp một nửa bước sóng (𝜆/2) của tần số sóng mang.
Miền bên trong của elip thứ nhất này gọi là miền Fresnel thứ nhất. Nếu tồn tại một vật cản ở rìa của miền Fresnel thứ nhất thì sóng phản xạ sẽ làm suy giảm sóng trực
SVTH: Ngô Chí Hùng Trang 62 tiếp, mức độ suy giảm tùy thuộc biên độ của sóng phản xạ. Do đó việc tính toán đối với miền Fresnel thứ nhất đòi hỏi có tính chính xác để việc thông tin giữa 2 trạm không bị ảnh hưởng đáng kể bởi sóng phản xạ này.
Nếu vùng Fresnel đầu tiên mà không bị khuất thì phần truyền lan sóng theo không gian tự do là chủ yếu. Ta có thể tính toán bằng công thức truyền lan sóng trong không gian tự do:
Pr(dB) = 10log(Pt)+10log(Gt)+10log(Gr)+20log( 𝝀
𝟒𝝅𝒅) – 10log(L) Pt: công suất anten phát (dB)
Pr: công suất anten thu (dB) Gt: độ lợi anten phát (dB) Gr: độ lợi anten thu (dB)
L: Suy hao hệ thống không phụ thuộc môi trường truyền sóng (dB) d: khoảng cách anten thu phát
𝜆 = 𝐶
𝑓 C: vận tốc ánh sáng _ 3*10^8
Nếu vùng Fresnel đầu tiên bị chắn (đường thẳng nối giữa anten thu phát có vật chắn), kinh nghiệm cho thấy cường độ tín hiệu suy hao ở máy thu bị suy hao khoảng 6dB so với truyền lan sóng không gian tự do. Để xác định bán kính vùng Fresnel ta sử dụng công thức:
Fzone = 17.32 𝐝𝟏𝐝𝟐
𝐟𝐝 (m) d = d1 + d2 (km)
Trong thực tế, thường gặp đường truyền đi qua các địa hình khác nhau có thể chắn miền Fresnel thứ nhất gây nên tổn hao trên đường truyền. Ở các loại địa hình này có thể có vật chắn hình nêm trên đường truyền và các loại chướng ngại khác. Hình 24 chỉ ra mô hình của vật chắn trên đường truyền dẫn, trong đó Fzone là bán kính miền Fresnel thứ nhất, F là khoảng hở thực; là khoảng cách giữa tia trực tiếp và một vật chắn hình nêm tại điểm tính toán miền Fresnel thứ nhất.
SVTH: Ngô Chí Hùng Trang 63 Hình 24: Mặt cắt nghiêng đường truyền và miền Fresnel thứ nhất
Với trường hợp vật cản ở giữa khoảng cách anten thu phát (d1=d2) thì ta có công thức:
Fzone = 8.657* 𝐝
𝐟
d: khoảng cách anten thu phát (km) f: tần số hoạt động (GHz)
Theo các chỉ tiêu thiết kế về khoảng hở đường truyền được khuyến nghị thì độ cao tối thiểu của anten đảm bảo sao cho tín hiệu không bị nhiễu xạ bởi vật chắn nằm trong miền Fresnel thứ nhất là F=0.577*Fzone. Nghĩa là đường trực tiếp giữa máy thu và máy phát cần một khoảng hở trên mặt đất hoặc trên một vật chắn bất kỳ ít nhất là vào khoảng 60% bán kính miền Fresnel thứ nhất để đạt được các điều kiện truyền lan trong không gian tự do.
Đồng thời nếu miền Fresnel đầu tiên hơi khuất ta phải cộng thêm vào lượng bổ sung do hiện tượng nhiễu xạ gây nên bởi vật cản. Lượng bổ sung này được tính bằng công thức:
𝐆𝒅(dB) = 20lg(Fzone)
3.2.2.2 Mô hình 2 tia có phản xạ mặt đất
Đất là một nguồn phản xạ thông thường. Nó đóng vai trò chính tại khu vực nông thôn, còn tại khu vực thành phố phản xạ đất thường bị ngăn cản bởi các vật chắn như nhà cửa, cây cối….Trên những tuyến truyền qua vùng mặt đất có độ nhẵn cao hoặc vùng nước mặt, phản xạ đất là nguồn chính gây ra tổn hao. Với một đường truyền radio bất kỳ, việc xác định mặt cắt là rất có ý nghĩa nếu phản xạ đất gây ra ảnh hưởng lớn.
SVTH: Ngô Chí Hùng Trang 64 Một tuyến truyền sóng radio bao gồm một tia tới và một tia phản xạ, tổn hao đường truyền dựa vào mối quan hệ về biên độ và pha của hai tia đó. Sự sai khác về đường đi giữa hai tia có thể được tính toán qua mặt cắt,biên độ và pha của tia phản xạ phụ thuộc vào các biến số như độ dẫn và hằng số điện môi của đất, tần số, góc tới và độ phân cực.
Rất khó để tổng kết ảnh hưởng mặt đất, nhưng xét một trường hợp tiêu biểu trong hình 25. Để ý rằng, có một sự sai khác lớn về biên độ sóng phản xạ giữa phân cực đứng và phân cực ngang (quy ước bằng “h” và “v”), phân cực đứng về cơ bản gây ra phản xạ nhỏ hơn. Tuy nhiên, ở phân cực đứng sự khác biệt là rất lớn khi góc tới thay đổi một vài độ. Với một tuyến truyền tiêu biểu, góc tới thường nhỏ hơn hoặc bằng 1 độ - ví dụ với một tuyến truyền qua mặt đất nhẵn với anten cao 10m, góc tới của tia phản xạ đất chỉ khoảng 0,11 độ.
Hình 25 : Đồ thị biểu diễn tham số phản xạ đất
Kết quả cuối cùng cho thấy trên các tuyến truyền mà phản xạ đất có ảnh hưởng đáng kể, sự khác biệt giữa phân cực đứng và ngang là rất ít. Với các tuyến truyền ngắn, phân cực ngang gây ra phản xạ lớn hơn và khi nó gây ra ảnh hưởng xấu thì cần thiết phải có bộ chuyển sang phân cực đứng. Mặt khác, với các đường truyền ngắn hơn khi sử dụng kết hợp cả hai loại phân cực sẽ đạt hiệu suất cao hơn.
Ảnh hưởng nguy hiểm nhất của phản xạ đất khi tuyến truyền qua vùng nước mặt.
Kỹ thuật trải phổ và phân tập cũng không thể giải quyết triệt để bài toán này, giải pháp đưa ra là dịch anten ra xa khỏi bờ nước mặt vì như vậy tia phản xạ sẽ bị chặn bởi vật chắn trên đất liền bảo đảm cho tia tới không bị ảnh hưởng.
Trên những tuyến truyền dài, sự phản xạ từ các vật thể kề bên đường truyền sẽ làm tăng tổn hao. Điều này thường xảy ra trong vùng thành phố, nơi các tòa nhà có thể gây ra sự phản xạ lớn. Trong những trường hợp đó, góc tia tới có thể lớn hơn 0 rất nhiều. Điều đó có nghĩa là phân cực đứng và phân cực ngang có ảnh hưởng rất khác nhau. Nếu bề mặt phản xạ là thẳng đứng, một tín hiệu phân cực ngang sẽ gây ra phản xạ yếu hơn và ít gây ra hiện tượng đa đường hơn so với tín hiệu phân cực đứng.
SVTH: Ngô Chí Hùng Trang 65 Hình 26: Mô hình 2 tia có phản xạ đất
Với khoảng cách d ta có công thức:
Pr(dB) = 10logPt+10logGt+10logGr+20log(ht)+20log(hr) – 40log(d) Như vậy ở khoảng cách d >> (hthr)1/2 thì công suất tỉ lệ nghịch với giá trị mũ 4 của khoảng cách. ( hay độ dốc 40db/đecade).
Biểu diễn dạng decibel mô hình suy hao cho bởi:
PL(dB)=40logd – ( 10logGt + 10logGr + 20loght + 20loghr)
Ở trường hợp này ta cần xác định độ lợi nhiễu xạ bổ sung theo mỗi điểm trên địa hình. Ta sử dụng công thức xấp xỉ sau:
𝐺𝑑(dB) = 0 ;v ≤ -1
𝐺𝑑(dB) = 20log(0.5-0.62v) ;-1 ≤ v ≤ 0
𝐺𝑑(dB) = 20log(0.5exp(-0.95v)) ;0 ≤ v ≤ 1 𝐺𝑑(dB) = 20log(0.4 – 0.1184 – (0.38 − 0.1𝑣)2) ;1 ≤ v ≤ 2.4 𝐺𝑑(dB) = 20log(0.225
𝑣 ) ;v > 2.4
Với v là tham số nhiễu xạ ứng với mỗi điểm trên địa hình, số liệu này ta có được từ đo đạc thức tế nên ở đây ta tạm thời bỏ qua không xét đến do điều kiện không cho phép. Dựa vào tham số v ta cũng có thể xác định được 3 trường hợp địa hình cơ bản:
LOS (v < -0.8)
SVTH: Ngô Chí Hùng Trang 66
Cận LOS – vùng Fresnel đầu tiên có thể bị che khuất (-0.8 < v < 0)
Non LOS – trường hợp bị che khuất (v > 0)