Tài liệu Báo cáo bài tập lớn thông tin vô tuyến các mô hình suy hao kênh (pathloss)

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI IỆN ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG  BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN THÔNG TIN VÔ TUYẾN Tên đề tài: CÁC MÔ HÌNH SUY HAO KÊNH (PATHLOSS) Giảng viên : PGS-TS ũ ăn Yêm iện Điện tử iễn Thông - BKHN Nhóm sinh viên thực hiện: Nguyễn ăn Tú. Tăng Thiên ũ. Nguyễn Kim Sơn Hà Nội, 12/2013 Nhóm KSTN-DTVT-K55 Các mô hình suy hao kênh – PathLoss Trường Đại học Bách Khoa Hà nội Viện Điện tử Viễn thông Báo cáo bài tập lớn môn Thông tin vô tuyến. Tên đề tài: Các mô hình suy hao kênh PathLoss Giảng viên: PGS-TS Vũ Văn Yêm Viện Điện tử Viễn thông Đại học Bách khoa Hà Nội. Nhóm sinh viên: 1./ Nguyễn Văn Tú. 2./ Tăng Thiên Vũ. 3./ Nguyễn Kim Sơn. Lớp KSTN-ĐTVT-K55 – trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Hà Nội, 12/2013. 2|P ag e Nhóm KSTN-DTVT-K55 Các mô hình suy hao kênh – PathLoss Mục lục: 1./ Giới thiệu đề tài: .................................................................................................... 4 2./ Mô hình suy hao truyền sóng trong môi trường tự do: ........................................... 5 3. Log-distance PathLoss: ........................................................................................... 8 4. Outdoor Propagation Model:................................................................................... 9 4.1. Okumura Model: .............................................................................................. 9 4.2. HATA: ........................................................................................................... 12 5. Kết quả mô phỏng trong Matlab: .......................................................................... 13 5.1. Mô hình lan truyền sóng trong không gian tự do:............................................ 13 a. Suy hao truyền sóng L trong môi trường tự do: .............................................. 13 b. Công suất nhận được ở máy thu: .................................................................... 14 5.1. Mô hình Log-distance – Không gian thực: ...................................................... 14 5.2. Out door Propagation: .................................................................................... 21 a. Okumura Model: ............................................................................................ 21 b. Hata Model: ................................................................................................... 22 Phụ lục 1: Code mô phỏng trong Matlab. .................................................................. 23 Phụ lục 2: Tài liệu tham khảo. .................................................................................. 30 3|P ag e Nhóm KSTN-DTVT-K55 Các mô hình suy hao kênh – PathLoss 1./ Giới thiệu đề tài: Khác với hệ thống truyền thông có đường dây cố định, tín hiệu vô tuyến mang tính chất ngẫu nhiên và chịu ảnh hưởng lớn bởi những yếu tố môi trường không gian truyền. Đường truyền giữa máy phát và máy thu có thể đơn giản là truyền thẳng trong một toàn nhà (Light-of-Sight) nhưng cũng có thể là bị ảnh hưởng bởi các yếu tố, các vật cản như các tòa nhà, ngon núi, rừng cây hoặc sự thay đổi môi trường. Những yếu tố này làm ảnh hưởng đến thông tin được mang theo trong tín hiệu sóng điện từ. Để đánh giá được mức ảnh hưởng của môi trường đến kênh truyền nay, nhà nghiên cứu phải mô hình hóa được ảnh hưởng của môi trường thành các mô hình toán học để có thể tính toán mô phỏng. “Các mô hình suy hao kênh” mô hình hóa, số liệu hóa được một số ảnh hưởng đến kênh truyền vô tuyến. Tìm hiểu về các mô hình suy hao kênh trong các môi trường khác nhau, trong các môi trường cụ thể trên lí thuyết và mô phỏng có thể tìm cách khắc phục, hạn chế ảnh hưởng của môi trường đến kênh truyền trong thực tế. Đề tài tìm hiểu về “Các mô hình suy hao kênh - PathLoss” và một số kết quả mô phỏng trên Matlab. Tìm hiểu về các mô hình trong lí thuyết cũng như một số mô hình được ứng dụng trong thực tế, qua đó đưa ra nhận xét chung của nhóm. Nhóm sinh viên lớp KSTN-ĐT T-K55 Đại học Bách Khoa Hà Nôi. 4|P ag e Nhóm KSTN-DTVT-K55 Các mô hình suy hao kênh – PathLoss 2./ Mô hình suy hao truyền sóng trong môi trường tự do: Mô hình truyền sóng trong không gian tự do được sử dụng để dự đoán cường độ tín hiệu khi giữa máy phát và máy thu không có vật cản giữa chúng, truyền sóng được thực hiện trong tầm nhìn thẳng (line – of – sight). Hệ thống thông tin vệ tinh và thông tin vi ba trong tầm nhìn thẳng là điển hình của truyền sóng trong không gian tự do. Giống như hầu hết các mô hình truyền sóng vô tuyến large-scale, mô hình truyền sóng trong không gian tự do dự đoán công suất thu được suy giảm phụ thuộc vào khoảng cách truyền sóng. Công suất thu được khi truyền sóng trong không gian tự do với khoảng cách giữa anten phát và anten thu là d được cho bởi công thức Friis:  Công thức Friis: ( ) ( (2.1) ) Trong đó: o là công suất phát (W) ( ) là công suất nhận được tại điểm thu (W) o o là hệ số tăng ích của anten phát o là hệ số tăng ích của anten thu o là khoảng cách giữa máy phát và máy thu (m) o ƛ là bước sóng (m) o L là hệ số suy hao của anten ( L ≥ 1) o Hệ số tăng ích của anten G phụ thuộc vào độ mở hiệu dụng của . Trong đó: anten  là độ mở hiệu dụng của anten phụ thuộc vào kích thước vật lý của anten  với f là tần số sóng mang (Hz), c là tốc độ ánh sáng Công thức Friis cho ta thấy công suất nhận được tại điểm thu suy giảm tỉ lệ với bình phương khoảng cách d giữa anten phát và anten thu. ( cũng có nghĩa là suy giảm 20dB/10 đơn vị khoảng cách)  Công suất bức xạ đẳng hướng hiệu dụng (EIRP) được định nghĩa là: EIRP = . dùng để biểu diễn công suất phát lớn nhất có thể từ máy phát theo hướng cực đại của hệ số tăng ích của anten. Thông thường EIRP thường được tính theo đơn vị dB.  Path Loss biểu diễn sự suy hao tín hiệu trong quá trình truyền sóng, được tính theo đơn vị dB, được định nghĩa là sự sai khác ( dB ) giữa công suất phát hiệu dụng và công suất nhận được ở máy thu. o Path loss trong mô hình không gian tự do khi bao gồm cả hệ số tăng ích của anten: PL(dB) = 5|P ag e = -10log[ ( ) ] (2.2) Nhóm KSTN-DTVT-K55 Các mô hình suy hao kênh – PathLoss o Nếu không tính đến hệ số tăng ích của anten thì PL(dB) = = -10log[ ( ) ( ] ) (2.3)  Tính công suất thu ( )dựa trên công suất thu tại điểm tham chiếu o Nếu tính theo đơn vị W hoặc mW ( ) mW = o Trong đó: ( ( )mW . ( ) (2.4) là cự ly tiêu chuẩn ) là công suất thu được tại cự ly tham chiếu là cự ly đảm bảo điều kiện trường bức xạ (far – field distance D là kích thước vật lý của anten o Nếu tính theo đơn vị dBm ( ) dBm =  ( )dBm – 20log( ) (2.5) Các ví dụ minh họa: Ví dụ 1: Tìm cự ly đảm bảo điều kiện trường bức xạ (far-field distance) với anten có kích thước lớn nhất là D = 1m và tần số hoạt động là 900MHz. Giải: Theo bài, D = 1m, f = 900MHz  ƛ= Áp dụng công thức ( ) ta tính được = 6m Ví dụ 2: a) Công suất của máy phát là 50W, biểu diễn công suất phát theo đơn vị dBm và dBW. b) Cho tần số sóng mang 900MHz, tìm công suất thu được ( tính theo đơn vị dBm) tại khoảng cách 100m Cũng câu hỏi trên với khoảng cách 10 km. c) Tính path loss tại khoảng cách 100m Giả thiết hệ số tăng ích của anten phát và thu đều bằng 1 6|P ag e Nhóm KSTN-DTVT-K55 Các mô hình suy hao kênh – PathLoss Giải: a) Công suất phát tính theo đơn vị dBm là: ( ) ( ) Công suất phát tính theo đơn vị dBW là: ( ) ( ) b) Công suất nhận được tại khoảng cách 100m là (tính theo dBm) Áp dụng công thức Friis ta có: ( )( )( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) Công suất nhận được tại khoảng cách 10km có thể áp dụng công thức (….) với và d = 10 km ( ) ( ) [ ] c) Path loss ( 7|P ag e ) * + * + 69.3 dB Nhóm KSTN-DTVT-K55 Các mô hình suy hao kênh – PathLoss 3. Mô hình Log-distance PathLoss: Cả tính toán lí tuyết và thực nghiệm đều cho thấy cường độ trung bình của tín hiệu nhận được suy giảm logarit theo khoảng cách, bất kể là môi trường indoor hay outdoor. Cường độ suy giảm tín hiệu trung bình theo khoảng cách giữa máy phát và máy thu là một hàm mũ của khoảng cách: ( ) ( ) (3.1) Tính theo dB: ( ) ( ) (3.2) Trong đó:    ( ) : Path loss tại cự li tham chiếu : cự li tham chiếu, thỏa mãn , đảm bảo điều kiện trường khu xa (các mặt sóng cầu đến có thể coi là phẳng) (3.3)  D: kích thước vật lí của anten phát  bước sóng làm việc Việc xác định khoảng cách tham chiếu là rất quang trọng. trong các hệ thống cell lớn, khoảng cách tham chiếu thường dùng là 1km. trọng các hệ thống cell nhỏ (micro cells) khoảng cách tham chiếu nhỏ hơn (100m đến 1m). hệ số n được tính từ thực nghiệm. thông thường, n tuân theo bảng sau: Môi trường Không gian tự do Đô thị Đô thị (bị che phủ) Trong các tòa nhà (có LOS) Trong tòa nhà (có vật cản) Trong nhà máy (có vật cản) 8|P ag e Hệ số n 2 2.7 đến 3.5 3 đến 5 1.6 đến 1.8 4 đến 6 2 đến 3 Nhóm KSTN-DTVT-K55 Các mô hình suy hao kênh – PathLoss 4. Outdoor Propagation Model: 4.1. Okumura Model: Mô hình Okumura là một trong những mô hình được sử dụng rộng rãi nhất trong khu vực đô thị . Mô hình này được áp dụng cho các tần số từ 150 MHz đến 1920 MHz (mặc dù nó thường được ngoại suy lên đến 3000 Mhz ) và khoảng cách từ 1 km đến 100 km. Mô hình Okumura có thể được sử dụng cho các trạm cơ sở có chiều cao ăng ten khác nhau, từ 30 m đến 1000m. Bằng thực nghiệm, mô hình Okumura đưa ra công thức sau: ( )= ( ) ( ( ) ) (4.1) Trong đó:     ( ) : là 50% giá trị của Pathloss : là pathloss trong không gian tự do ( ) : là sự suy giảm tương đối trung bình trong không gian tự do ( ) : là chiều cao tăng ích của trạm anten cơ sở (the base station antenna height gain factor) ( ) ( ) với 1000 m > > 30 m ( ) : là chiều cao tăng ích của anten di động (the mobile antenna  height gain factor); ( (  )= ( ) ) với 10 m > ( ) với m là hệ số khuếch đại (tùy thuộc môi trường xét) Mô hình Okumura hoàn toàn được xây dựng từ thực nghiệm và không có một ( ) và luận giải lí thuyết nào cho mô hình này.2 hệ số được lấy từ đồ thi thực nghiệm. Tuy nhiên mô hình Okumura vẫn rất chính xác khi áp dụng trong thực tế. Nó đã trở thành mô hình chuẩn được áp dụng trong việc xây dựng các hệ thống vô tuyến ở Nhật Bản. Khuyết điểm lớn nhất của mô hình này là không áp dụng được cho khu vực nông thôn. Độ lệch trung bình giữa mô hình và thực tế rơi trong khoảng từ 10 dB đến 14 dB. 9|P ag e Nhóm KSTN-DTVT-K55 Các mô hình suy hao kênh – PathLoss Hình 4.1. Đồ thị tính 10 | P a g e ( ): Nhóm KSTN-DTVT-K55 Các mô hình suy hao kênh – PathLoss Hình vẽ 4.2. Đồ thị Garea 11 | P a g e Nhóm KSTN-DTVT-K55 Các mô hình suy hao kênh – PathLoss 4.2. Hata Model: Mô hình Hata là một mô hình thực nghiệm được xây dựng bởi Okumura, được áp dụng với dải tần từ 150 MHZ đến 1500 MHZ cho môi trường đô thị. Tuy nhiên nó cũng được đưa vào các tham số chỉnh sửa để áp dụng vào các trường hợp khác. Công thức chuẩn của mô hình Hata như sau: ( )( ) ( ( ) ) (4.2) Trong đó:      : tần số hoạt động (150 MHZ đến 1500 MHZ) : chiều dài hiệu dụng của anten trạm phát (30m đến 200m) : chiều dài hiệu dụng của anten thu (1m đến 10m) : khoảng cách truyền sóng (km) ( ) : là hệ số cân chỉnh, tùy thuộc vào độ rộng vùng được xét Đối với thành phố cỡ nhỏ hoặc trung bình, ( ( ) ( ) ) tính như sau: ( ) (4.3) Đối với thành phố lớn: ( ) ( ) ( ) ( với ) (4.4) với (4.5) Để áp dụng cho vùng ngoại ô, mô hình Hata chỉnh sửa công thức như sau : ( ) ( ) ( ) * + (4.6) Đối với vùng nông thôn : ( ) ( ) (4.7) Mặc dù mô hình Hata không có hệ số chỉnh sửa đường như trong mô hình okumura, thì các biểu thức trên vẫn có những ứng dụng thực tế. kết quả của mô hình Hata rất giống với mô hình Okumura , khi d > 1 km. Mô hình Hata phù hợp với các hệ thống cell lớn, nhưng không phù hợp với các hệ thống PCS (Personal Comunications Systems) – vì các hệ thống PCS có bán kính cell thường < 1 km. Tuy vậy, hiệp hội EURO-COST cũng đã nghiên cứ và đưa ra một số mở rộng cho mô hình Hata để có thể áp dụng được cho mô hình cell có bán kính < 1km. 12 | P a g e Nhóm KSTN-DTVT-K55 Các mô hình suy hao kênh – PathLoss 5. Kết quả mô phỏng trong Matlab: 5.1. Mô hình lan truyền sóng trong không gian tự do: a. Suy hao truyền sóng L trong môi trường tự do: Hình 1. Đồ thị phụ thuộc Suy hao truyền sóng trong không gian tự do vào khoảng cách (PathLoss – PathLoss in dB) Suy hao truyền sóng trong môi trường tự do với hệ số mũ truyền sóng n = 2. Khoảng cách truyền nhận ảnh hưởng rất lớn đến Suy hao truyền sóng và Công suất nhận của tại vi trí máy thu. Chênh lệch L giữa R = 3 km và R = 4 km lên đến 18*10^11. 13 | P a g e Nhóm KSTN-DTVT-K55 Các mô hình suy hao kênh – PathLoss b. Công suất nhận được ở máy thu: Hình 2. Đồ thị phụ thuộc công suất nhận trong không gian tự do theo khoảng cách d (km) theo mô hình lan truyền trong không gian tự do. 5.1. Mô hình Log-distance – Không gian thực: Công suất nhận phụ thuộc vào môi trường thực tế (Hệ số mũ truyền sóng). Một số kết quả mô phỏng với nhưng không gian thực thế khác nhau (có số mũ lan truyền khác nhau). 14 | P a g e Nhóm KSTN-DTVT-K55 Các mô hình suy hao kênh – PathLoss Hình 3. Công suất nhận trong môi trường “Urban area cellular radio” với hệ số mũ suy hao truyền sóng trong 2.7:3.5. 15 | P a g e Nhóm KSTN-DTVT-K55 Các mô hình suy hao kênh – PathLoss Hình 4. Công suất nhận trong môi trường “Shadowed Urban area cellular radio” với hệ số mũ suy hao truyền sóng trong 3:5. 16 | P a g e Nhóm KSTN-DTVT-K55 Các mô hình suy hao kênh – PathLoss Hình 5. Công suất nhận trong môi trường “In building Light of Sight” với hệ số mũ suy hao truyền sóng trong 1.6: 1.8. 17 | P a g e Nhóm KSTN-DTVT-K55 Các mô hình suy hao kênh – PathLoss Hình 6. Công suất nhận trong môi trường “Obstructed in building” với hệ số mũ suy hao truyền sóng trong 4:6. 18 | P a g e Nhóm KSTN-DTVT-K55 Các mô hình suy hao kênh – PathLoss Hình 7. Công suất nhận trong môi trường thực với hệ số mũ suy hao truyền sóng thay đổi trong trong 1:6. Chú thích: với hệ số mũ lớn hơn thì đồ thị sẽ nằm phía trên. 19 | P a g e Nhóm KSTN-DTVT-K55 Các mô hình suy hao kênh – PathLoss Khác với trong mô hình không gian tự do, hệ số mũ suy hao trong mô hình Log-distance thay đổi tùy theo môi trường. Chính hệ số mũ này làm ảnh hưởng lớn đến công suất nhận được cũng như suy hao trên đường truyền. Hệ số n càng lớn, tại cùng một khoảng cách, công suất nhận được càng thấp, độ suy hao càng lớn. Trong Hình ?, đồ thị so sánh được sự khác biệt trong công suất nhận được đối với hệ số mũ khác nhau. Tại cùng khoảng cách d = 20 km, khi n= 1(trong môi trường tòa nhà có Light of Sight) Pr = -25dB còn với n = 6 (trong môi trường các tòa nhà có vật cản) Pr = -180. Với môi trường là trong tòa nhà có Light of Sight, số mũ suy hao truyền sóng có thể nhỏ hơn cả trong trường hợp là môi trường tự do (Free Space). Có thể giải thích hiện tượng này bằng hiệu ứng đường ngầm trong các tòa nhà. Qua mỗi đồ thị của Công suất nhận được, cũng như Suy hao truyền sóng. Tùy vào từng môi trường kết hợp với khoảng cách R, ta có thể dễ dàng xác định được các thông số cần thiết. 20 | P a g e