Bài giảng Chương 3. Đặc điểm của kênh truyền trong thông tin di động

Telecommunications Program 1 Chương 3. Đặc điểm của kênh truyền trong thông tin di động • Sóng điện từ truyền trong môi trường vô tuyến với các hiện tượng - Phản xạ (reflection) - Khúc xạ (refraction) - Nhiễu xạ (difraction) - Tán xạ (scattering) Trong thông tin di động tín hiệu từ nguồn phát đến máy thu với nhiều con đường khác nhau (user di động) tín hiệu fading nhiều tia. Tín hiệu thu được bị ảnh hưởng: suy hao, méo biên độ và méo tần số Telecommunications Program Chương 3: Đặc điểm của kênh truyền trong thông tin di động • Hầu hết các hệ thống di động hoạt động ở khu vực đô thị nên không có đường truyền trực tiếp từ máy phát đến máy thu và tại những nơi có các cao ốc gây ra suy hao do nhiễu xạ rất lớn. Do có nhiều hiện tượng phản xạ từ nhiều vị trí nên sóng điện từ đến máy thu từ nhiều đường có chiều dài khác nhau gây ra giao thoa lẫn nhau gọi là fading đa đường và làm giảm cường độ sóng • Các mô hình truyền sóng thường tập trung vào việc ước tính mức tín hiệu thu trung bình với cự ly tính từ máy phát cũng như sự thay đổi cường độ tín hiệu trong không gian gần vị trí đang xét • Việc tính cường độ trung bình của tín hiệu nhằm xác định vùng phủ 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 rất nhanh của cường độ tín hiệu trong khoảng cách ngắn hoặc trong thời gian ngắn được gọi là mô hình diện hẹp hay mô hình fading 2 Telecommunications Program Chương 3: Đặc điểm của kênh truyền trong thông tin di động 3 Telecommunications Program Chương 3: Đặc điểm của kênh truyền trong thông tin di động I. Ba cơ chế truyền sóng cơ bản:  Phản xạ, nhiễu xạ và tán xạ là ba cơ chế truyền sóng cơ bản gắn liền với quá trình truyền sóng trong thông tin di động  Hiện tượng phản xạ xãy ra khi sóng điện từ lan truyền va chạm với vật thể có kích thước lớn hơn nhiều so với bước sóng lan truyền chẳng hạn như mặt đất, các tòa nhà hay các bức tường  Hiện tượng nhiễu xạ xãy ra khi đường truyền vô tuyến giữa máy phát và thu bị che bởi các bề mặt có cạnh và làm phát xạ sóng thứ cấp khi đó không còn đường truyền line of sight. Ở tần số cao hiện tượng nhiễu xạ giống như phản xạ nhưng phụ thuộc vào hình dạng vật thể che cũng như góc tới, biên độ, pha và cực tính của sóng đến 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 trong một đợn vị thể tích là lớn 4 Telecommunications Program Chương 3: Đặc điểm của kênh truyền trong thông tin di động 1. Hiện tượng phản xạ: Xét mô hình phản xạ mặt đất như sau Cường độ điện trường ETOT tại antenna thu được xác định như sau 5  0 02 2/ T RTOT E d h hE v m d d    Telecommunications Program Chương 3: Đặc điểm của kênh truyền trong thông tin di động 1. Hiện tượng phản xạ: E0 là điện trường trong không gian tự do tại điểm cách antenna phát là d0  Ta cũng xác định công suất thu và suy hao đường truyền 6 2 2 4 T R R T T R h hP P G G d       40log 20log 20logT R T RPL dB d G dB G dB h h     Telecommunications Program Chương 3: Đặc điểm của kênh truyền trong thông tin di động 2. Hiện tượng nhiễu xạ:  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 >  7 Telecommunications Program Chương 3: Đặc điểm của kênh truyền trong thông tin di động 2. Hiện tượng nhiễu xạ:  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 8 2 1 2 1 22 d dh d d    2 21 2 1 2 2 2 2 2 d dh v d d            1 2 1 2 2 d d v h d d   Telecommunications Program Chương 3: Đặc điểm của kênh truyền trong thông tin di động 2. Hiện tượng nhiễu xạ:  Suy hao do nhiễu xạ knife-edge là hàm của v có thể được xác định theo đồ thị hoặc tính gần đúng như sau 9          0.95 0 1 20log 0.5 0.62 1 0 20log 0.5 0v L dB v L dB v v L dB e v                  2 1 20log 0.4 0.1184 0.38 0.1 1 2.4 0.22520log 2.4 L dB v v L dB v v                 Telecommunications Program 10 Telecommunications Program Chương 3: Đặc điểm của kênh truyền trong thông tin di động 3. Hiện tượng tán xạ:  Thực tế tín hiệu thu được trong môi trường thông tin di động thường 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 gồ ghề sẽ năng lượng phản xạ được trải ra theo mọi hướng và làm tăng 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 cao nhất lớn hơn độ cao tiêu chuẩn thì được xem là bề mặt gồ ghề 11 8sinC i h    Telecommunications Program Chương 3: Đặc điểm của kênh truyền trong thông tin di động 3. Hiện tượng tán xạ:  Nếu xác định được vật gây ra tán xạ đủ lớn và định được vị trí thì 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  m2 < RCS < 55.7 dB  m2 12         20log 30 log 4 20log 20log R T T T R P dBm P dBm G dB RCS d d          Telecommunications Program Chương 3: Đặc điểm của kênh truyền trong thông tin di động II. Các mô hình truyền sóng outdoor  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 cản cũng cần được chú ý đến. các mô hình truyền sóng outdoor với mục đích chủ yếu là đánh giá mức tín hiệu thu ở những vị trí trong 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 đồ hình học và sự khúc xạ trong tầng đối lưu. Suy hao do nhiễu xạ cũng đước xét đến dựa vào mô hình knife-edge tham số Fresnel-Kirchoff 13 Telecommunications Program Chương 3: Đặc điểm của kênh truyền trong thông tin di động II. Các mô hình truyền sóng outdoor 2. Mô hình Okumura  Là một trong những mô hình được sử dụng rất phổ biến cho khu vực đô thị. Mô hình này đáp ứng ở tần số từ 150MHz đến 1920MHz và khoảng cách từ 1Km đến 100Km. có thể sử dụng cho các antenna BTS cao trong khoagnr 30m đến 1000m  Okumura đưa ra một tập các đường cong về suy hao Amu liên quan đến suy hao không gian tự do trong khu vực thành thị với địa hình gần như bằng phẳng kết hợp với antenna trạm gốc cao 200m và antenna đầu cuối di động cao 3m  Để xác định suy hao đường truyền sử dụng mô hình Okumura thì cần xác định suy hao trong không gian tự do trước rồi đến giá trị Amu(f,d) và các hệ số hiệu chỉnh như sau: 14 Telecommunications Program Chương 3: Đặc điểm của kênh truyền trong thông tin di động II. Các mô hình truyền sóng outdoor 2. Mô hình Okumura  G(hte) là hệ số độ lợi về chiều cao của antenna BTS và giá trị này thay đổi với tốc độ 20dB/decade  G(hre) là hệ số độ lợi về chiều cao của antenna MS và giá trị này thay đổi với tốc độ 10dB/decade ở độ cao dưới 3m 15      ,Okumura F mu te re AREAL L A f d G h G h G       20log 30 1000 200 te te te hG h m h m         10log 3 3 re re re hG h h m        20log 3 10 3 re re re hG h m h m       Telecommunications Program Chương 3: Đặc điểm của kênh truyền trong thông tin di động II. Các mô hình truyền sóng outdoor 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 để xác định suy hao đường truyền trong thông tin di động ở môi trường nội ô hay ngoại ô nhưng lại không phù hợp trong môi trường nông thôn  Ví dụ: Xác định suy hao đường truyền theo mô hình Okumura với 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 Telecommunications Program Chương 3: Đặc điểm của kênh truyền trong thông tin di động 17 Telecommunications Program Chương 3: Đặc điểm của kênh truyền trong thông tin di động II. Các mô hình truyền sóng outdoor 2. Mô hình Okumura  Tra đồ thị ta có Amu(900MHz, 50Km) = 43dB và GAREA = 9dB 18 62.4 20log 20log 62.4 20log50 20log900 125.5 FL d f dB          20log 6 200 te te hG h dB         20log 10.46 3 re re hG h dB           , 155.04F mu te re AREAPL L A f d G h G h G dB      60 155.04 95.04R RP EIRP PL G dBm dBm       Telecommunications Program Chương 3: Đặc điểm của kênh truyền trong thông tin di động II. Các mô hình truyền sóng outdoor 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 hình Okumura. Mô hình hoạt động ở vùng tần số từ 150MHz đến 1500MHz 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 26.16log 13.82log 44.9 6.55log log urban c te re te PL dB f h a h h d       Telecommunications Program Chương 3: Đặc điểm của kênh truyền trong thông tin di động II. Các mô hình truyền sóng outdoor 3. Mô hình Hata:  Đối với thành phố vừa và nhỏ hệ số a(hre) là  Đối với thành phố lớn  Đối với khu vực ngoại ô thì mô hình Hata được xác định 20       1.1log 0.7 1.56log 0.8re c re ca h dB f h f        28.29 log1.54 1.1 300re rea h dB h f MHz       23.2 log11.75 4.97 300re rea h dB h f MHz       2 2 log 5.4 28 c suburban urban fPL dB PL dB           Telecommunications Program Chương 3: Đặc điểm của kênh truyền trong thông tin di động II. Các mô hình truyền sóng outdoor 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 hợp với 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 mở rộng đến tần số 2GHz 21      24.78 log 18.33log 40.98rural urban c cPL dB PL dB f f          46.3 33.9 log 13.82log 44.9 6.55log log urban c te re te M PL dB f h a h h d C        Telecommunications Program Chương 3: Đặc điểm của kênh truyền trong thông tin di động II. Các mô hình truyền sóng outdoor 4. Mô hình Hata mở rộng:  CM có giá trị 3dB đối với trung tâm thành phố và là 0 đối với ngoại ô.  a(hre ) xác định tương tự mô hình Hata  fc trong khoảng 150MHz đến 2GHz  d trong khoảng 1Km đến 20Km 5. Mô hình Walfisch – Bertoni (Tự đọc ) 6. Mô hình MicroCell PCS (Tự đọc) III. Các mô hình truyền sóng Indoor (Tự đọc) 22 Telecommunications Program Chương 3: Đặc điểm của kênh truyền trong thông tin di động 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 Telecommunications Program Chương 3: Đặc điểm của kênh truyền trong thông tin di động 1. Sự lan truyền đa đường diện hẹp : 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 Telecommunications Program 25 • Méo tần số (Doppler effect) 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 cosl d   2 2 cosl v t          cos cos1 2D m v ff t           Telecommunications Program Chương 3: Đặc điểm của kênh truyền trong thông tin di động 1. Sự lan truyền đa đường diện hẹp :  Từ phương trình trên nếu như mobile di chuyển về phía hướng đến của sóng thì độ dịch Doppler có giá trị dương. Nếu mobile 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 số 1850MHz. 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 Telecommunications Program Chương 3: Đặc điểm của kênh truyền trong thông tin di động 2. Mô hình đáp ứng xung của kênh truyền đa đường  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. Tuy nhiên do sóng đa đường có thời gian trễ lan truyền khác nhau phụ thuộc vào d nên đáp ứng xung của kênh truyền là hàm phụ thuộc d 27 v d d = vt Telecommunications Program 28 Multipath Channel Multipath Channel Mobile 1 Mobile 2Base Station 1st MC 2nd MC 3rd MC (Multipath Component) 4th MC 1st MC 2nd MC Telecommunications Program Chương 3: Đặc điểm của kênh truyền trong thông tin di động 2. Mô hình đáp ứng xung của kênh truyền đa đường  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 Nếu h(d,t) = 0 khi t < 0 thì  Do máy thu di chuyển với vận tốc v nên d = vt khi đó 29          , , ,y d t x t h d t x h d t d              , , t y d t x h d t d           , , t y vt t x h vt t d      Telecommunications Program Chương 3: Đặc điểm của kênh truyền trong thông tin di động 2. Mô hình đáp ứng xung của kênh truyền đa đường  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 gian với 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 động trong khi  được xem là trễ đa đường của kênh truyền ở giá trị t xác định. Như vậy tín hiệu thu được sẽ là 30              , , , t y t x h vt t d x t h vt t x t h d t          Telecommunications Program Chương 3: Đặc điểm của kênh truyền trong thông tin di động 2. Mô hình đáp ứng xung của kênh truyền đa đường  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) là tín hiệu bandpass) để được hình bao phức của tín hiệu ngõ ra y(t) 31          , ,y t x h t d x t h t             2, Re , cj f tbh t h t e   Telecommunications Program • r(t) và c(t) là hình bao phức của tín hiệu x(t) và y(t) tương ứng • Hệ số ½ là do tính chất hình bao phức để biểu diễn hệ thống bandpass dưới dạng baseband 32  tjb cethth  ),(Re),(    ),()()( )(Re)(   thtxty etrty tj c   1( ) ( ) ( , ) 2 b r t c t h t   x(t) y(t) ),( 2 1 thb c(t) r(t) Bandpass Channel Impulse Response Model Baseband Equivalent Channel Impulse Response Model  tj cetctx )(Re)(  Telecommunications Program Nếu rời rạc hóa trục  (trể đa đường) của đáp ứng xung thành những khoảng thời gian trể bằng nhau gọi là khoảng trễ vượt mức (excess delay) như hình 33  2 i0 N-1 N-1= (N-1) i= (i) o= 0 1=   (excess delay) Amplitude of Multipath Component 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 Telecommunications Program Các thành phần đa đường đến đầu thu với các góc khác nhau và ta giả định rằng tất cả đều đến đầu thu với cùng một góc trong không gian 3 chiều 34  (relative delay of multipath Comnponent) 1 2 Nth ComponentN-1N-2 1 N3 N2 N1 ....... 00 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 Telecommunications Program Chương 3: Đặc điểm của kênh truyền trong thông tin di động 2. Mô hình đáp ứng xung của kênh truyền đa đường  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 đường như 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  là đại lượng pha tương trưng cho độ dịch pha do quá trình truyền trong không gian tự do của thành phần đa đường thứ i cộng với bất kỳ độ dịch pha nào gặp phải trên kênh truyền 35 1 (2 ( ) ( , )) 0 ( , ) ( , ) ( ( ))c i i N j f t t b i i i h t a t e t             2 ( ) ( , )c i if t t    Telecommunications Program Chương 3: Đặc điểm của kênh truyền trong thông tin di động 36 o 1 2 3 4 5 6 N-2 N-1 (t0) (t1) (t2) (t3) t0 t1 t2 t3 t hb(t,) Telecommunications Program Chương 3: Đặc điểm của kênh truyền trong thông tin di động 2. Mô hình đáp ứng xung của kênh truyền đa đường  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 thì đáp 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 37     1 0 )()( N i i j ib ieah   )()(   ttp 2);( thb Telecommunications Program Chương 3: Đặc điểm của kênh truyền trong thông tin di động 2. Mô hình đáp ứng xung của kênh truyền đa đường  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 bố công 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 hiệu dụng (rms delay spread ) 38 2( ) ( ; )bP k h t  Telecommunications Program 39 2 2 ( ) ( ) i i i i i i i i i i a P a P             22d    2 2 2 2 2 ( ) ( ) i i i i i i i i i i a P a P            Mean Excess Delay rms Delay Spread Với Giá trị điển hình của d : Indoor: 10-100 ns Outdoor: 0.1-10 s Telecommunications Program 40 Telecommunications Program Chương 3: Đặc điểm của kênh truyền trong thông tin di động 3. Các thông số của kênh truyền đa đường di động  Băng thông kết hợp (Coherence Bandwidth): Băng thông kết hợp là phép đo thốn