Trờng Đại học Bách Khoa Hà Nội Đồ án tốt nghiệp cao học
Nguyễn Song Tùng- Cao học ĐTVT 2004
-1-

CHƯƠNG 1. CáC MÔ HìNH TRUYềN SóNG Mục tiêu: Tìm hiểu các mô hình truyền sóng.
Nắm vững phạm vi ứng dụng của các mô hình truyền sóng.
Có khả năng áp dụng kiến thức để phát hiện ra mô hình truyền
sóng mới.
Tính toán suy hao của tín hiệu vô tuyến trong các môi trờng.


nhiều tia.
Khúc xạ là cơ chế xảy ra khi đờng truyền sóng bị che khuất một phần
bởi một vật thể. Trong trờng hợp này, sóng điện từ đợc xem nh là truyền
vòng qua cạnh của vật thể đến vùng không gian không thuộc miền truyền
thẳng (line of sight) từ phía phát. Trong thông tin vô tuyến, đây là thuộc tính
rất quan trọng. Nó làm tăng hiệu ứng che khuất và cho phép thiết kế một hệ
thống mạng di động với vị trí tơng đối của trạm gốc và máy di động luôn
thay đổi.
Trờng Đại học Bách Khoa Hà Nội Đồ án tốt nghiệp cao học
Nguyễn Song Tùng- Cao học ĐTVT 2004
-3-

Tán xạ là cơ chế xảy ra trong môi trờng truyền dẫn có chứa các vật thể
có kích thớc nhỏ hơn nhiều so với bớc sóng của tín hiệu. Cơ chế này làm
cho năng lợng của sóng điện từ sẽ bức xạ ra nhiều hớng khác nhau, công
suất tín hiệu sẽ bị suy hao.
1.1.2 Các hiệu ứng lan truyền sóng.
Lan truyền sóng điện từ trong môi trờng thực là một quá trình phức tạp,
đó là sự kết hợp của nhiều cơ chế lan truyền khác nhau. Tuy nhiên, nó đợc
mô hình hóa thành 3 loại hiệu ứng cơ bản sau:
Hiệu ứng nhiều tia.
Hiệu ứng che khuất.
Lan truyền qua tòa nhà và khu vực giao thông.
Hiệu ứng nhiều tia là hiệu ứng lan truyền sóng rất phổ biến trong môi
trờng di động. Nó là sự tổng quát hóa của cơ chế phản xạ hai tia. Trong thực
tế, lan truyền nhiều tia sẽ có hàng chục đến hàng trăm tín hiệu thành phần với
biên độ và pha ngẫu nhiên sẽ đến máy thu.
Đây là cơ chế phading nhanh, nó xuất hiện khi tín hiệu thu đợc từ rất
nhiều đờng truyền có pha biến đổi. Kết quả là pha sẽ loại trừ nhau một cách
ngẫu nhiên, gây ra phading nhanh, đôi khi rất sâu hoặc đôi khi biên độ tăng


BS
BS
MS
MS
Phading Rayleigh
Phading Raycian
Trờng Đại học Bách Khoa Hà Nội Đồ án tốt nghiệp cao học
Nguyễn Song Tùng- Cao học ĐTVT 2004
-5-

Hiệu ứng che khuất: sự thay đổi chậm trong suy hao đờng truyền gây ra
bởi sự che chắn hoặc che chắn một phần do kích thớc lớn của vật thể hoặc
đặc tính của địa hình. Sự che khuất thay đổi chậm đợc miêu tả bởi một phân
bố khác đợc gọi là phân bố loga. Đó là kết quả của cơ chế tán xạ trên một số
các vật thể, dẫn tới sự thay đổi ngẫu nhiên của tín hiệu.
Lan truyền qua tòa nhà và khu vực giao thông.
Máy di động có thể di chuyển khắp mọi nơi, trong tòa nhà cũng nh trên
các phơng tiện giao thông, trên mọi nẻo đờng. Để đảm bảo rằng cờng độ
tín hiệu đủ mạnh tới các máy di động, chúng ta cần phải tính toán suy hao
đờng truyền khi tín hiệu xuyên qua các vật thể. Vì có sự khác nhau của vật
liệu, hớng truyền, vị trí của vật thể nên rất khó có thể dự đoán chính xác suy
hao cho từng trờng hợp cụ thể. Vì vậy, chúng ta phải sử dụng các mô hình
thống kê.
Cụ thể là chúng ta muốn biết suy hao năng lợng trung bình của tín hiệu
khi đi qua vật thể. Dự đoán mức tín hiệu trong tòa nhà là rất phức tạp. Một tòa
nhà là sự tổ hợp của nhiều vật cản. Cơ chế lan truyền cơ bản đợc ứng dụng
cho tín hiệu lan truyền vào và bên trong tòa nhà là khúc xạ.
Mức tín hiệu bên trong tòa nhà chịu ảnh hởng của nhiều tham số khác
nhau. Đó là:


Hình 1.4 Miền Fresnel thứ nhất.
Trong quá trình tính toán suy hao đờng truyền, lan truyền trong không
gian tự do đợc xem nh là một mô hình chuẩn. Các mô hình khác đợc xây
dựng trên mô hình chuẩn này và cố gắng tìm ra một cách tiếp cận tới một giá
trị suy hao dự đoán chính xác hơn.
Chúng ta bắt đầu với công thức tính suy hao sau:

2
4









d
L
fs
(1-2)
Trờng Đại học Bách Khoa Hà Nội Đồ án tốt nghiệp cao học
Nguyễn Song Tùng- Cao học ĐTVT 2004
-7-

Trong công thức này, d là khoảng cách giữa máy phát và máy thu.
là bớc sóng
Vì d và đều là tham số đo khoảng cách, nên kết quả của phép tính trên sẽ

s
m
x
MHz
Hz
f
km
m
d
s
m
x
fd
MHzkm
MHzkm
/
10
3
1
10
1
10
4
/
10
3
4
8
63
8

df
s
m
x
Hzmdf

Chuyển đổi sang dB, ta có:
dfdBL
fs
lg20lg20
3
40
lg20)(









Phép tính này cho kết quả nh công thức 1.4 ở trên.
Trờng Đại học Bách Khoa Hà Nội Đồ án tốt nghiệp cao học
Nguyễn Song Tùng- Cao học ĐTVT 2004
-8-


(1-5)
Trong đó:
A
m
là hệ số suy hao dự đoán Okumura. A
m
đợc tra qua đồ thị
đờng cong.
Trờng Đại học Bách Khoa Hà Nội Đồ án tốt nghiệp cao học
Nguyễn Song Tùng- Cao học ĐTVT 2004
-9-

L
fs
: là suy hao lan truyền trong không gian tự do.
Ví dụ:
f = 800MHz. d = 10km
h
BS
= 200m h
MS
= 3m.
Từ đồ thị đờng cong dự đoán suy hao , ta có A
m
= 29dB.
Do đó, L
total
= L
fs
+ A

) + (44,9 6,55logh
B
) x
logR. (1-6)
Trong đó:
Đối với khu vực thành phố vừa và nhỏ:
a(h
m
) = (1,1logf
C
0,7)h
m
- (1,56logf
C
0,8

)
Đối với khu vực thành phố lớn:
a(h
m
) = 8,29(log1,54h
m
)
2
1,1 f
C
< 200MHz.
a(h
m
) = 3,2(log11,75h

Trờng Đại học Bách Khoa Hà Nội Đồ án tốt nghiệp cao học
Nguyễn Song Tùng- Cao học ĐTVT 2004
-11-

Bảng 1.1 Bảng tham số Hata
Tham số Giải thích Phạm vi
f
C
Tần số (MHz) 150 ~ 1500
h
b
Chiều cao cột anten BTS (m) 30 ~ 200
h
m
Chiều cao anten MS (m) 1 ~ 10
R Khoảng cách BTS đến MS (km) 1 ~ 20
a(h
m
) Hệ số hiệu chỉnh

1.5 Mô hình COST231 Walfish Ikegami.
COST là chữ viết tắt của công ty chuyên nghiên cứu công nghệ và khoa
học trờng điện từ Châu Âu. COST là công ty kết hợp giữa nghiên cứu và
công nghiệp. Mục tiêu chính của COST là nghiên cứu bản chất của quá trình
lan truyền sóng điện từ trong dải tần VHF và UHF và phát triển các mô hình
kênh, lan truyền đã đợc chứng minh.
Dự án COST213 nghiên cứu tiến trình phát triển của hệ thống thông tin di
động mặt đất là một trong số rất nhiều dự án nghiên cứu của COST, nó là kết
quả của quá trình phát triển và mở rộng các mô hình lan truyền sóng. Lấy ví
dụ, mô hình Hata đợc mở rộng để có thể ứng dụng vào phạm vi truyền sóng

rts
.
Điều kiện ứng dụng của mô hình là cho đờng truyền sóng vô tuyến trong
khu vực đô thị.
- Tần số làm việc f
C
: 800 đến 2000MHz.
- Chiều cao cột anten BTS h
b
: 4 đến 50m.
- Chiều cao anten MS h
m
: 1 đến 3m.
- Khoảng cách từ BTS đến MS: 20 đến 5km.
Công thức COST231-Walfish-Ikegami :
L
fs
+ L
ms
+ L
rts

L
COST
= L
fs
Nếu L
ms
+ L
rts

L
fs
= L (dB) = 32.44 + 20logf(MHz) + 20logd(km)
Suy hao khúc xạ và tán xạ:
L
rts
= -16,9 10logW + 10logf
C
+ 20logh
m
+ L

.
Suy hao đa bề mặt:
L
ms
= L
bsh
+ k
a
+ k
d
logd + k
p
logf
C
9logb.
Các tham số phụ trong mô hình.
Suy hao hớng phố:


L
oriHình 1.6 Các tham số trong mô hình Walfish- Ikegami.
Trờng Đại học Bách Khoa Hà Nội Đồ án tốt nghiệp cao học
Nguyễn Song Tùng- Cao học ĐTVT 2004
-14-

Bảng 1.2 Các giá trị ngầm định các tham số trong mô hình
Tham số
ý nghĩa
Giá trị
b Khoảng cách giữa các tòa nhà.

20 đến 50m
w Độ rộng đờng phố b/2
h
roof
Chiều cao tòa nhà 3m x số tầng

Góc tới 90 độ

1.6 Mô hình và các đặc tính fading
Lan truyền sóng vô tuyến là một quá trình phức tạp đợc mô tả bởi rất
nhiều hiệu ứng khác nhau nh lan truyền nhiều tia hay che khuất. Một sự mô
tả toán học chính xác cho hiện tợng này hoặc là không thành công, hoặc là
quá phức tạp. Tuy nhiên, những nỗ lực đáng kể đó đã tìm ra một hình thống kê
và đặc tính của các hiệu ứng khác nhau. Kết quả là chúng ta có một loạt các
mô hình thống kê khá chính xác và đơn giản cho các kênh fading trong các

C
f
T
1

(1-8)
Phading đợc gọi là chậm nếu khoảng thời gian ký hiệu nhỏ hơn thời gian
liên kết của kênh T
C
. Ngợc lại, nó đợc gọi là phading nhanh. Trong phading
chậm, một giá trị phading xác định có ảnh hởng rất nhiều tới các ký hiệu liền
nhau. Nó là nguyên nhân dẫn tới sự lỗi cụm. Trong phading nhanh, phading
gây ra tơng quan giữa các ký hiệu. Khi các quyết định tại phía thu đợc thực
hiện dựa trên sự quan sát tín hiệu thu đợc trong khoảng thời gian của 2 hay
nhiều ký hiệu thì sự thay đổi của kênh phading từ khoảng thời gian của một ký
hiệu tới ký hiệu tiếp theo phải đợc tính đến. Điều này đợc thực hiện thông
qua các mô hình tơng quan và phụ thuộc vào môi trờng truyền dẫn cụ thể.

1.6.1.3 Phading phẳng và phading chọn tần.
Chọn tần cũng là một thuộc tính rất quan trọng trong phading. Nếu tất cả
các thành phần phổ của tín hiệu phát bị ảnh hởng cùng một phơng thức thì
ta gọi đó là phading phẳng. Trong trờng hợp này các hệ thống băng hẹp,
trong đó băng thông của tín hiệu phát nhỏ hơn nhiều so với băng thông liên
kết của kênh f
c
. Băng thông này đợc đo bằng độ rộng dải tần số mà quá trình
phading diễn ra tơng quan. Nó cũng đợc định nghĩa là băng thông tần số
trong đó chức năng tơng quan của hai mẫu của hai kênh đáp ứng tại cùng
Trờng Đại học Bách Khoa Hà Nội Đồ án tốt nghiệp cao học
Nguyễn Song Tùng- Cao học ĐTVT 2004

ảnh hởng của phading trên đờng truyền, tín hiệu bị xáo trộn tại phía thu bởi
nhiễu nền Gaussian (AWGN). Nhiễu AWGN đợc giả thiết là có tính độc lập
thống kê với biên độ phading và nó đợc mô tả bằng hàm mật độ phổ công
suất một phía (W/Hz). Nói một cách tơng đơng, công suất tín hiệu thu đợc
tức thời bị điều chế bởi
2
. Do vậy, chúng ta định nghĩa hệ số tức thời của tín
hiệu trên tạp âm SNR và ký hiệu là
oS
NE /
2


và hệ số SNR trung bình trên
ký hiệu
0
/ NE
S


, trong đó E
S
là năng lợng của một ký hiệu. Ngoài ra,
hàm PDF của đợc xác định bằng cách thêm vào một tham số biến đổi
trong biểu thức của phading PDF p

().
Ta có:






(1-11)
Hàm M

(s) là một đặc tính thống kê quan trọng khác của kênh phading.
Ngoài ra, số lợng phading (hệ số phading) AF liên quan đến hàm PDF nh
sau:




2
22
2
22
22
2
)(
)()()(
)(
)var(






1.6.2.2 Hiệu ứng che khuất hàm log.
Trong hệ thống thông tin di động mặt đất, chất lợng đờng truyền cũng
bị ảnh hởng bởi sự thay đổi chậm của mức tín hiệu do hiện tợng che khuất
đờng truyền tín hiệu, gây ra bởi địa hình, tòa nhà, cây cối. Hoạt động của hệ
thống thông tin sẽ chỉ phụ thuộc vào hiệu ứng che khuất nếu phía thu có khả
năng lọc đợc giá trị trung bình của phading nhanh nhiều tia hoặc nếu phía
thu sử dụng hệ thống thu phân tập để hạn chế ảnh hởng của hiệu ứng nhiều
tia. Dựa trên các phép đo thực tế, các nhà nghiên cứu đã đạt đợc một sự
thống nhất chung là hiệu ứng che khuất có thể đợc mô hình hóa bằng hàm
phân bố log cho các môi trờng truyền dẫn trong nhà và ngoài trời.

1.6.2.3 Phading nhiều tia, che khuất kết hợp.
Môi trờng phading nhiều tia và che khuất kết hợp bao gồm phading nhiều
tia chồng đè lên phading che khuất log. Trong môi trờng này, phía thu sẽ
không tách đợc giá trị trung bình đờng biên. Đây là kịch bản của khu vực
thành phố đông đúc, với sự di chuyển chậm của ngời và phơng tiện. Kiểu
phading tổ hợp này cũng đợc thấy ở hệ thống thông tin di động vệ tinh.
Chúng ta có hai cách tiếp cận để tìm ra sự phân bố tổ hợp. Chúng ta có thể sử
dụng hàm PDF gamma/log-normal do Ho và Stillber tìm ra. Hàm PDF này
phát triển từ hàm Nakagami-m trong môi trờng che khuất và đợc thêm vào
giá trị công suất tín hiệu phân bố gamma. Trêng §¹i häc B¸ch Khoa Hµ Néi §å ¸n tèt nghiÖp cao häc
NguyÔn Song Tïng- Cao häc §TVT 2004
-19-

(
l
)
l=1L
Lp
, (
l
)
l=1L
Lp
, (
l
)
l=1L
Lp
là các hàm biên độ, pha và trễ kênh
ngẫu nhiên tơng ứng.
Trong công thức trên, L
P
là số lợng các đờng truyền (đờng truyền đầu
tiên đợc xem nh là đờng chuẩn, có thời gian trễ
l
= 0), và nó liên quan đến
thời gian trễ cực đại trên thời gian của một ký hiệu. Với giả thiết là môi trờng
phading chậm, L
P
đợc coi là hằng số trong một khoảng thời gian xác định,
(
l
)

và hàm PDF của nó p

() có thể là một
trong số các hàm PDF đợc đề cập ở phần trên. Cũng giống nh trong trờng
hợp kênh phading phẳng, sau khi đi qua kênh phading, tín hiệu băng thông
Trờng Đại học Bách Khoa Hà Nội Đồ án tốt nghiệp cao học
Nguyễn Song Tùng- Cao học ĐTVT 2004
-21-

rộng bị xáo trộn bởi AWGN với mật độ phổ công suất một phía No(W/Hz).
Hàm AWGN đợc giả thiết là độc lập với biên độ phading (
l
)
l=1L
Lp
. Do vậy tỉ
số tức thời SNR với ký hiệu của kênh thứ l đợc tính nh sau:
l
=
l
2
E
S
/N
0
,
và tỉ số trung bình SNR với ký hiệu của kênh thứ l đợc tính là :
0
/ NE
Sll


Trong đó,
1
là công suất phading trung bình tơng ứng với đờng lan
truyền tín hiệu thứ nhất,
max
là trễ lan truyền cực đại.
Trờng Đại học Bách Khoa Hà Nội Đồ án tốt nghiệp cao học
Nguyễn Song Tùng- Cao học ĐTVT 2004
-22- CHƯƠNG 2. MÔ HìNH TRUYềN SóNG trong nhà

Mục tiêu

* Đó là môi trờng truyền dẫn 3 chiều. Bởi vì với một khoảng cách xác
định từ BTS đến MS, chúng ta phải quan tâm đến yếu tố chiều cao, nó phụ
thuộc vào số tầng của tòa nhà. Trong khu vực thành thị, chúng ta dễ nhận thấy
rằng tín hiệu sẽ có đờng truyền thẳng LOS từ BTS đến MS khi MS đang ở các
tầng cao của tòa nhà, trong khi nếu MS ở các tầng thấp hay trên phố, đờng
truyền LOS rất khó đạt đợc.
* Môi trờng truyền dân bên trong tòa nhà trong đó chứa nhiều vật cản.
Những vật cản này đợc làm từ nhiều loại vật liệu khác nhau, và có vị trí rất
gần với máy di động. Với môi trờng nh vậy, đặc tính lan truyền của tín hiệu
sẽ thay đổi rất nhiều so với môi trờng ngoài trời.
* Chúng ta đã có rất nhiều các công trình nghiên cứu về lan truyền tín hiệu
từ ngoài vào bên trong tòa nhà, đặc biệt với các dải tần số sử dụng cho mạng
di động. Các công trình nghiên cứu này đợc chia thành 2 loại sau:
- Loại thứ nhất nghiên cứu trong môi trờng có chiều cao trạm BTS từ 3
đến 9m và máy di động chủ yếu di chuyển trong các tòa nhà cao 1 hoặc
2 tầng nằm ở ngoại ô.
- Loại thứ hai nghiên cứu trong môi trờng có chiều cao trạm BTS tơng
đơng với trong mạng di động cellular và máy di động di chuyển trong
các tòa nhà cao tầng.
Trờng Đại học Bách Khoa Hà Nội Đồ án tốt nghiệp cao học
Nguyễn Song Tùng- Cao học ĐTVT 2004
-24-

Các nghiên cứu cho loại thứ nhất xuất phát từ hệ thống điện thoại vô tuyến
cầm tay vì hệ thống này phục vụ cho một số lợng lớn các thiết bị cầm tay
công suất thấp, có bán kính cell nhỏ (< 1km). Trong hệ thống này, việc phủ
sóng cho một tòa nhà cao tầng đợc thực hiện thông qua rất nhiều cell nhỏ
nằm trong tòa nhà. Đó là lý do tại sao các nghiên cứu lại sử dụng chiều cao
của anten thấp, khoảng cách từ BTS đến MS nhỏ hơn 1km, và các phép đo
đợc tiến hành trong nhà.

hiện các phép đo trên đờng phố nằm xung quanh tòa nhà để tìm đợc mức tín
hiệu trung bình bên ngoài tòa nhà, nh Rice đã đa ra, hoặc là ta có thể lấy kết
quả của phép đo tức thời bên ngoài tòa nhà tại vị trí nằm trên đờng thẳng nối
từ tâm tòa nhà đến vị trí máy phát.
Phơng pháp thứ hai sẽ chính xác hơn nếu tồn tại một đờng truyền LOS
giữa máy phát và tòa nhà. Nhng trờng hợp này rất ít khả năng vì tín hiệu
truyền vào trong tòa nhà qua rất nhiều đờng truyền tán xạ, nên phơng pháp
một mang tính thực tiễn hơn. Phơng pháp phân tích số liệu cũng rất khác
nhau. Mặc dù trong hầu hết các nghiên cứu, tín hiệu đợc lấy mẫu tại theo
từng khoảng thời gian và từng vị trí. Nhng nhìn chung, các phơng pháp khác
nhau này không làm ảnh hởng đến giá trị trung bình phép đo suy hao tín hiệu
trong tòa nhà.
Vì những lí do này, chúng ta đôi khi rất khó so sánh kết quả của các công
trình nghiên cứu. Suy hao phụ thuộc rất nhiều các yếu tố, nhng chủ yếu là
phụ thuộc vào tần số, điều kiện lan truyền và chiều cao của máy thu trong tòa
nhà. Tuy nhiên, một số yếu tố khác cũng có ảnh hởng đến suy hao tín hiệu
nh hớng của tòa nhà so với anten BTS, cấu trúc tòa nhà (vật liệu xây nhà, số
lợng và kích thớc cửa sổ) và cách bố trí vật dụng trong tòa nhà. Trong hầu
hết các mô hình để dự đoán cờng độ tín hiệu trong tòa nhà đều sử dụng
phơng pháp kỹ thuật đợc đa ra bởi Rice. Cụ thể là trớc tiên, chúng ta dự
đoán mức tín hiệu trung bình trên các con phố nằm xung quanh tòa nhà, sau
đó cộng thêm phần suy hao bởi tòa nhà.