Tải bản đầy đủ

Mô phỏng kênh truyền sóng ở dải tần 30GHz

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG
---------

BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN

MÔN KỸ THUẬT SIÊU CAO TẦN
Đề tài: Mô phỏng kênh truyền sóng ở dải tần 30GHz

Giáo viên hướng dẫn: PGS.TS Vũ Văn Yêm
Nhóm sinh viên thực hiện: Nhóm 8
Sinh viên
Nguyễn Sỹ Tuấn Thành
Nguyễn Đình Thái
Tạ Phương Nam

MSSV
20144091
20144024
20143089


Lớp
Điện tử 09 – K59
Điện tử 10 – K59
Điện tử 04 – K59

Hà Nội, tháng 5/2018

1


MỤC LỤC
DANH MỤC HÌNH VẼ ........................................................................................ 4
DANH MỤC BẢNG BIỂU .................................................................................. 5
LỜI NÓI ĐẦU ...................................................................................................... 6
Chương 1. Lý thuyết về kênh vô tuyến ................................................................. 7
1.1 Giới thiệu chung .......................................................................................... 7
1.2 Khái niệm về thông tin vô tuyến ................................................................. 7
1.3 Kênh vô tuyến ............................................................................................. 8
1.3.1 Giới thiệu ............................................................................................. 8
1.3.2 Các hiện tượng ảnh hưởng đến chất lượng kênh truyền ...................... 9
1.3.3 Các dạng kênh truyền......................................................................... 11
1.3.4 Các mô hình kênh cơ bản ................................................................... 14
Chương 2. Lý thuyết về truyền sóng siêu cao tần (mmWave) ........................... 18
2.1 Đặc điểm chung của sóng siêu cao tần ..................................................... 18
2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến sóng siêu cao tần ............................................ 18
2.2.1 Suy hao do hấp thụ khí quyển ............................................................ 18
2.2.2 Suy hao do mưa .................................................................................. 20
2.2.3 Suy hao do cây cối ............................................................................. 21
2.2.4 Hiệu ứng đa đường............................................................................. 22
2.3 Các nghiên cứu, kết quả thực nghiệm đo suy hao dải sóng siêu cao tần .. 22
Chương 3. Mô phỏng suy hao kênh truyền trong thông tin di động tế bào ........ 24
3.1 Mô hình suy hao không gian tự do khoảng cách tham chiếu gần ............. 24
3.2 Mô hình suy hao alpha-beta ...................................................................... 26
3.3 Mô hình suy hao sử dụng anten đa hướng ................................................ 28
2


Chương 4. Kết luận ............................................................................................. 30
PHỤ LỤC ............................................................................................................ 31
TÀI LIỆU THAM KHẢO................................................................................... 33

3


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1. 1: Sơ đồ khối chức năng của hệ thống truyền tin..................................... 7
Hình 1. 2: Mô hình hệ thống thông tin [1] ............................................................ 8
Hình 1. 3: Mô hình tổng quát của truyền dẫn phân tập đa đường [1] ................. 10
Hình 1. 4: Mô hình phản xả trong truyền dẫn phân tập đa đường [1] ................ 11
Hình 1. 5:Kênh truyền chọn lọc tần số (f0Hình 1. 6: Kênh truyền không chọn lọc tần số (f0>W) [1] ............................... 13
Hình 1. 7:Hàm mật độ xác suất của phân bố Rayleigh [1] ................................. 15
Hình 1. 8: Hàm mật độ xác suất của phân bố Ricean [1].................................... 17

Hình 2. 1: Suy hao hấp thụ do khí quyển ở các dải tần số [3] ............................ 19
Hình 2. 2: Suy hao do mưa ở tần số 28GHz [5].................................................. 21

Hình 3. 1: Suy hao không gian tự do khoảng cách tham chiếu gần .................... 26
Hình 3. 2: Suy hao trong không gian tự do theo mô hình alpha-beta ................. 27
Hình 3. 3: Suy hao trong không gian tự do theo mô hình alpha-beta sử dụng
anten đa hướng .................................................................................................... 29

4


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2. 1: Suy hao do nhiệt độ và độ ẩm trên 1km tại tần số 30GHz [4]............. 19

Bảng 3. 1: Các hệ số tính toán LOS, NLOS, NLOS-beat mô hình khoảng cách
tham chiếu gần [3] ................................................................................................. 25
Bảng 3. 2: Các hệ số tính toán LOS, NLOS, NLOS-beat mô hình suy hao alphabeta [3] ................................................................................................................... 27
Bảng 3. 3: Các hệ số tính toán LOS, NLOS, NLOS-beat mô hình suy hao anten
đa hướng [5] .......................................................................................................... 28

5


LỜI NÓI ĐẦU
Cuộc cách mạng công nghiệp 4.0 bùng nổ tạo lên một nhu cầu vô cùng to lớn và
áp lực đè nặng lên hạ tầng viễn thông. Các nhà cung cấp phải triển khai những hệ
thống thu phát truyền dẫn mới có tốc độ cao, chính xác, bảo mật, ổn định, v.v. mới có
thể đảm bảo khả năng cung ứng cho khách hàng.
Tần số là tài nguyên quý giá của quốc gia, và mỗi nước chỉ được cấp phép sử
dụng một dải tần cố định, số lượng thuê bao và người dùng ngày càng tăng, đòi hỏi sử
dụng nhiều biện pháp có thể tái sử dụng được tần số hiện có, cũng như nâng cao kỹ
thuật để có thể sử dụng tần số ở những dải sóng siêu cao tần để có thể đáp ứng được
nhu cầu ngày càng tăng về số lượng thiết bị, đồng thời cải thiện chất lượng dịch vụ và
có thể theo kịp được sự phát triển khoa học trong tương lai. Đề tài “Mô phỏng kênh
truyền sóng ở dải tần 30GHz” là một bước đi khảo sát các vấn đề liên quan đến kênh
truyền sóng trong không gian tự do khi sử dụng ở dải siêu cao tần.
Chúng em cảm ơn PGS.TS Vũ Văn Yêm đã nhiệt tình chỉ bảo, góp ý, hướng
dẫn tận tình để nhóm chúng em có thể hoàn thành đề tài này. Trong bài báo cáo không
tránh khỏi những sai sót và những lỗ hổng kiến thức, kính mong thầy góp ý để chúng
em có thể có những kiến thức chính xác và bổ ích nhất.

6


Chương 1. Lý thuyết về kênh vô tuyến
1.1 Giới thiệu chung
Các phương tiện thông tin nói chung được chia thành hai phương pháp thông tin
cơ bản, đó là thông tin vô tuyến và thông tin hữu tuyến. Mạng thông tin vô tuyến ngày
nay đã trở thành một phương tiện thông tin chủ yếu, thuận tiện cho cuộc sống hiện đại.

Nguồn tin

Kênh truyền

Nhận tin

Hình 1. 1: Sơ đồ khối chức năng của hệ thống truyền tin
Trong mạng thông tin vô tuyến ngoài nguồn tin và nhận tin thì kênh truyền là một
trong ba khâu quan trọng nhất, và có cấu trúc tương đối phức tạp. Nó là môi trường để
truyền thông tin từ máy phát đến máy thu. Vì thế chương này tìm hiểu các thông tin về
kênh truyền: Đó là, các hiện tượng ảnh hưởng đến kênh truyền, các dạng kênh truyền
và các mô hình kênh truyền cơ bản. Ngoài ra chương này còn giới thiệu khái quát về hệ
thống thông tin vô tuyến.

1.2 Khái niệm về thông tin vô tuyến
Hình 1.2 thể hiện một mô hình đơn giản của một hệ thống thông tin vô tuyến.
Nguồn tin trước hết qua mã hoá nguồn để giảm các thông tin dư thừa, sau đó được mã
hoá kênh để chống các lỗi do kênh truyền gây ra. Tín hiệu sau khi qua mã kênh được
điều chế để có thể truyền tải đi xa. Các mức điều chế phải phù hợp với điều kiện của
kênh truyền. Sau khi tín hiệu được phát đi ở máy phát, tín hiệu thu được ở máy thu sẽ
trải qua các bước ngược lại so với máy phát. Kết quả tín hiệu được giải mã và thu lại
được ở máy thu. Chất lượng tín hiệu thu phụ thuộc vào chất lượng kênh truyền và các
phương pháp điều chế và mã hoá khác nhau. Do đó ngày nay các kỹ thuật mới ra đời
nhằm cải thiện chất lượng kênh truyền nói riêng và mạng vô tuyến nói chung, một
trong những kỹ thuật đó là MC-CDMA.
7


Hình 1. 2: Mô hình hệ thống thông tin [1]

1.3 Kênh vô tuyến
1.3.1 Giới thiệu
Chất lượng của các hệ thống thông tin phụ thuộc nhiều vào kênh truyền, nơi mà
tín hiệu được truyền từ máy phát đến máy thu. Không giống như kênh truyền hữu
tuyến là ổn định và có thể dự đoán được, kênh truyền vô tuyến là hoàn toàn ngẫu nhiên
và không hề dễ dàng trong việc phân tích. Tín hiệu được phát đi, qua kênh truyền vô
tuyến, bị cản trở bởi các toà nhà, núi non, cây cối, v.v. bị phản xạ, tán xạ, nhiễu xạ, v.v.
các hiện tượng này được gọi chung là fading. Và kết quả là ở máy thu, ta thu được rất
nhiều phiên bản khác nhau của tín hiệu phát. Điều này ảnh hưởng đến chất lượng của
hệ thống thông tin vô tuyến.
Hiện tượng fading trong một hệ thống thông tin có thể được phân thành hai loại:
Fading tầm rộng (large-scale fading) và fading tầm hẹp (small-scale fading).

8


Fading tầm rộng diễn tả sự suy yếu của trung bình công suất tín hiệu hoặc độ suy
hao kênh truyền là do sự di chuyển trong một vùng rộng. Hiện tượng này chịu ảnh
hưởng bởi sự cao lên của địa hình (đồi núi, rừng, các khu nhà cao tầng) giữa máy phát
và máy thu. Người ta nói phía thu được bị che khuất bởi các vật cản cao. Các thống kê
về hiện tượng fading tầm rộng cho phép ta ước lượng độ suy hao kênh truyền theo hàm
của khoảng cách.
Fading tầm hẹp diễn tả sự thay đổi đáng kể ở biên độ và pha tín hiệu. Điều này
xảy ra là do sự thay đổi nhỏ trong vị trí không gian (nhỏ khoảng nửa bước sóng) giữa
phía phát và phía thu. Fading tầm hẹp có hai nguyên lý - sự trải thời gian (timespreading) của tín hiệu và đặc tính thay đổi theo thời gian (time-variant) của kênh
truyền. Đối với các ứng dụng di động, kênh truyền là biến đổi theo thời gian vì sự di
chuyển của phía phát và phía thu dẫn đến sự thay đổi đường truyền sóng.
1.3.2 Các hiện tượng ảnh hưởng đến chất lượng kênh truyền
1.3.2.1 Hiện tượng đa đường
Trong một hệ thống thông tin vô tuyến, các sóng bức xạ điện từ thường không bao
giờ được truyền trực tiếp đến anten thu. Điều này xẩy ra là do giữa nơi phát và nơi thu
luôn tồn tại các vật thể cản trở sự truyền sóng trực tiếp. Do vậy, sóng nhận được chính
là sự chồng chập của các sóng đến từ hướng khác nhau bởi sự phản xạ, khúc xạ, tán xạ
từ các toà nhà, cây cối và các vật thể khác. Hiện tượng này được gọi là sự truyền sóng
đa đường (Multipath propagation). Do hiện tượng đa đường, tín hiệu thu được là tổng
của các bản sao tín hiệu phát. Các bản sao này bị suy hao, trễ, dịch pha và có ảnh
hưởng lẫn nhau. Tuỳ thuộc vào pha của từng thành phần mà tín hiệu chồng chập có thể
được khôi phục lại hoặc bị hư hỏng hoàn toàn. Ngoài ra khi truyền tín hiệu số, đáp ứng
xung có thể bị méo khi qua kênh truyền đa đường và nơi thu nhận được các đáp ứng
xung độc lập khác nhau. Hiện tương này gọi là sự phân tán đáp ứng xung (impulse
dispersion). Hiện tượng méo gây ra bởi kênh truyền đa đường thì tuyến tính và có thể
được bù li ở phía thu bằng các bộ cân bằng.

9


Hình 1. 3: Mô hình tổng quát của truyền dẫn phân tập đa đường [1]
1.3.2.2 Hiệu ứng Doppler
Hiệu ứng Doppler gây ra do sự chuyển động tương đốigiữa máy phát và máy thu
như trình bày ở hình 1.4. Bản chất của hiện tượng này là phổ của tín hiệu thu được bị
xê lệch đi so với tần số trung tâm một khoảng gọi là tần số Doppler.
Giả thiết góc tới của tuyến n so với hướng chuyển động của máy thu là αn, khi đó
tần số Doppler của tuyến này là [1]:
fD 

v
f 0 cos(  n )
c

(1.1)

Trong đó f 0 , v, c lần lượt là tần số sóng mang của hệ thống, vận tốc chuyển động
tương đối của máy thu so với máy phát và vận tốc ánh sáng. Nếu  n  0 thì tần số
Doppler lớn nhất sẽ là:
fD 

v
f0
c

(1.2)

10


Hình 1. 4: Mô hình phản xả trong truyền dẫn phân tập đa đường [1]
Giả thiết tín hiệu đến máy thu bằng nhiều luồng khác nhau với cường độ ngang
hàng nhau ở khắp mọi hướng, khi đó phổ của tín hiệu tương ứng với tần số Doppler
được biểu diễn như sau [1]:
A


2
 f  f0 

 yy ( j 2 f )   1  

 f max 


0


khi f 0  f D ,max  f  f 0  f D ,max

(1.3)
cac truong hop con lai

1.3.2.3 Suy hao trên đường truyền
Mô tả sự suy giảm công suất trung bình của tín hiệu khi truyền từ máy phát đến
máy thu.Sự giảm công suất do hiện tượng che chắn và suy hao có thể khác phục bằng
các phương pháp điều khiển công suất
1.3.2.4 Hiệu ứng bóng râm
Do ảnh hưởng của các vật cản trở trên đường truyền, ví dụ như các toà nhà cao
tầng, các ngọn núi, đồi, v.v. làm cho biên độ tín hiệu bị suy giảm. Tuy nhiên, hiện
tượng này chỉ xảy ra trên một khoảng cách lớn, nên tốc độ biến đổi chậm. Vì vậy, hiệu
ứng này được gọi là fading chậm.
1.3.3 Các dạng kênh truyền

11


Tùy theo đáp ứng tần số của kênh truyền và băng thông của tín hiệu phát mà ta
có.
+ Kênh truyền chọn lọc tần số và kênh truyền không chọn lọc tần số.
+ Kênh truyền chọn lọc thời gian và kênh truyền không chọn lọc thời gian.
1.3.3.1 Kênh truyền chọn lọc tần số và kênh truyền không chọn lọc tần số
Mỗi kênh truyền đều tồn tại một khoảng tần số mà trong khoảng đó, đáp ứng tần
số của kênh truyền là gần như nhau tại mọi tần số (có thể xem là phẳng), khoảng tần số
này được gọi là Coherent Bandwidth và được ký hiệu trên hình 1.5 là f 0 .
tín hiệu
truyền
mật
độ
phổ

đáp ứng
tần số
của
kênh
truyền

Hình 1. 5:Kênh truyền chọn lọc tần số (f0Trên hình 1.5, ta nhận thấy kênh truyền có f0 nhỏ hơn nhiều so với băng thông của
tín hiệu phát. Do đó, tại một số tần số trên băng tần, kênh truyền không cho tín hiệu đi
qua, và những thành phần tần số khác nhau của tín hiệu được truyền đi chịu sự suy
giảm và dịch pha khác nhau. Dạng kênh truyền như vậy được gọi là kênh truyền chọn
lọc tần số.

12


đáp ứng
tần số
của
kênh
truyền

tín hiệu
truyền

f

f0

Hình 1. 6: Kênh truyền không chọn lọc tần số (f0>W) [1]
Ngược lại, trên hình 1.6, kênh truyền có f0 lớn hơn nhiều so với băng thông của
tín hiệu phát, mọi thành phần tấn số của tín hiệu được truyền qua kênh chịu sự suy
giảm và dịch pha gần như nhau. Chính vì vậy, kênh truyền này được gọi là kênh truyền
không chọn lọc tần số hoặc kênh truyền fading phẳng.
1.3.3.2 Kênh truyền chọn lọc thời gian và Kênh truyền không chọn lọc thời
gian
Kênh truyền vô tuyến luôn thay đổi liên tục theo thời gian, vì các vật chất
trênđường truyền luôn thay đổi về ví trí, vận tốc, v.v. luôn luôn có những vật thể mới
xuấthiện và những vật thể cũ mất đi, v.v. Sóng điện từ lan truyền trên đường truyền
phảnxạ, tán xạ, v.v. qua những vật thể này nên hướng, góc pha, biên độ cũng luôn thay
đổitheo thời gian.
Tính chất này của kênh truyền được mô tả bằng một tham số, gọi là coherent time.
Đó là khoảng thời gian mà trong đó, đáp ứng thời gian của kênh truyền thay đổi rất ít
(có thể xem là phẳng về thời gian).
Khi ta truyền tín hiệu với chu kỳ ký hiệu (symbol duration) rất lớn so với coherent
time thì kênh truyền đó được gọi là kênh truyền chọn lọc thời gian. Ngược lại, khi ta
truyền tín hiệu với chu kỳ ký hiệu (symbol duration) rất nhỏ so với coherent time thì
kênh truyền đó là được gọi là kênh truyền không chọn lọc thời gian hay phẳng về thời
gian.
13


1.3.4 Các mô hình kênh cơ bản
1.3.4.1 Kênh theo phân bố Rayleigh
Trong những kênh vô tuyến di động, phân bố Rayleigh thường được dùng để
mô tả bản chất thay đổi theo thời gian của đường bao tín hiệu fading phẳng thu được
hoặc đường bao của một thành phần đa đường riêng lẻ. Chúng ta biết rằng đường bao
của tổng hai tín hiệu nhiễu Gauss trực giao tuân theo phân bố Rayleigh. Phân bố
Rayleigh có hàm mật độ xác suất [1]:
 r
 r2 
 exp   2  ( 0  r   )
p( r )   2
 2 

0
(r  0)


(1.4)

Với σ là giá trị rms (hiệu dụng) của điện thế tín hiệu nhận được trước bộ tách
đường bao (evelope detection). σ2 là công suất trung bình theo thời gian.
Xác suất để đường bao của tín hiệu nhận được không vượt qua một giá trị R cho
trước được cho bởi hàm phân bố tích lũy:
R
 R2 
P( R )  Pr ( r  R )   p( r )dr  1  exp   2 
 2 
0

(1.5)

Giá trị trung bình rmean của phân bố Rayleigh được cho bởi:


rmean  E[ r ]   rp( r )dr  
0


2

 1.2533

(1.6)

Và phương sai  r 2 (công suất thành phần ac của đường bao tín hiệu):
r



2




 E  r 2   E 2 [ r ]   r 2 p( r )dr   2   2  2    0.4292 2
2
2

0

Giá trị hiệu dụng của đường bao là

(1.7)

2 (căn bậc hai của giá trị trung bình bình

phương). Giá trị median của r tìm được khi giải phương trình:

14


1

2

rmedian



p( r )dr  rmedian  1.177

(1.8)

0

Hình 1. 7:Hàm mật độ xác suất của phân bố Rayleigh [1]
Vì vậy giá trị mean và median chỉ khác nhau môt lượng là 0.55dB trong trường
hợp tín hiệu Rayleigh fading. Chú ý rằng giá trị median thường được sử dụng trong
thực tế vì dữ liệu Rayleigh fading thường được đo trong những môi trường mà chúng
ta không thể chấp nhận nó tuân theo một phân bố đặc biệt nào. Bằng cách sử dụng giá
trị median thay vì giá trị trung bình, chúng ta dễ dàng so sánh các phân bố fading khác
nhau (có giá trị trung bình khác nhau). Hình 1.7 minh họa hàm mậtđộ xác suất
Rayleigh.
1.3.4.2 Phân bố Ricean
Trong trường hợp fading Rayleigh, không có thành phần tín hiệu đến trực tiếp
máy thu mà không bị phản xạ hay tán xạ (thành phần light-of-sight) với công suất vượt
trội. Khi có thành phần này, phân bố sẽ là Ricean. Trong trường hợp này, các thành
phần đa đường ngẫu nhiên đến bộ thu với những góc khác nhau được xếp chồng lên tín
hiệu light-of-sight. Tại ngõ ra của bộ tách đường bao, điều này có ảnh hưởng như là
cộng thêm thành phần dc vào các thành phần đa đường ngẫu nhiên. Giống như trong
trường hợp dò sóng sin trong khi bị nhiễu nhiệt, ảnh hưởng của tín hiệu light-of-sight
15


(có công suất vượt trội) đến bộ thu cùng với các tín hiệu đa đường (có công suất yếu
hơn) sẽ làm cho phân bố Ricean rõ rệt hơn. Khi thành phần light-of-sight bị suy yếu,
tín hiệu tổng hợp trông giống như nhiễu có đường bao theo phân bố Rayleigh. Vì vậy,
phân bố bị trở thành phân bố Rayleigh trong trường hợp thành phần light-of-sight mất
đi.
Hàm mật độ phân bố xác suất của phân bố Ricean [1]:
 r  ( r  A2 )  Ar 
 e 2 I 0  2  ( A  0,r  0 )
p( r )   2
 

0
r0

2

2

(1.9)

A : Biên độ đỉnh của thành phần light-of-sight.
I 0 : Là hàm Bessel sửa đổi loại 1 bậc 0.

Phân bố Ricean thường được mô tả bởi thông số k được định nghĩa như là tỉ số
giữa công suất tín hiệu xác định (thành phần light-of-sight) và công suất các thành
phần đa đường:
A2
k 2
2

(1.10)

A2
k( dB )  10 log 2 dB
2

(1.11)

Hay viết dưới dạngdB:

k xác định phân bố Ricean và được gọi là hệ số Ricean.

Khi A  0 , thành phần light-of-sight bị suy giảm về biên độ, phân bố Ricean trở
thành phân bố Rayleigh. Hình 1.8 mô tả hàm mật độ xác suất của phân bố Ricean.

16


Hình 1. 8: Hàm mật độ xác suất của phân bố Ricean [1]

17


Chương 2. Lý thuyết về truyền sóng siêu cao tần (mmWave)
2.1 Đặc điểm chung của sóng siêu cao tần
Các sóng truyền ở dải tần 30 – 300 GHz được gọi là sóng siêu cao tần
(Milimeter Wave), có bước sóng rộng từ 1mm đến 10mm là dải tần lớn hơn rất nhiều
so với các hệ thống thông tin hiện nay. Trước đây, dải tần mmWave đã sử dụng trong
thông tin vệ tinh, truyền điểm – điểm khoảng cách xa, các ứng dụng quân sự và dịch vụ
cấp phát đa điểm địa phương (Local Multipoint Distribution Service – LMDS). Ngày
nay, các đường truyền mmWave đã và đang được sử dụng trong các hệ thống mạng
không gian cá nhân (Wireless Personal Area Network – WPAN) và mạng không dây
địa phương (Wireless Local Area Network – WLAN). Đối với các hệ thống thông tin
di động tế bào, kỹ thuật này còn đang gặp phải nhiều thách thức. Đặc điểm khác biệt
của sóng mmWave so với các tần số khác là sự suy hao mạnh trong khí quyển. Tuy
nhiên, với đặc điểm là bước sóng ngắn, kết hợp với công nghệ CMOS (Complementry
Metal-Oxide Semiconductor) công suất thấp cho phép một số lượng lớn các phần tử
anten (≥ 32 phần tử) trong 1 mảng anten. Các hệ thống anten này sử dụng để hình
thành anten độ định hướng cao tại phía phát và thu có khả năng loại bỏ ảnh hưởng đáng
kể của những hiệu ứng suy hao. Mặc dù vậy, sóng mmWave nhạy với các hiệu ứng
bóng râm gây ra việc mất tín hiệu và gián đoạn tín hiệu trên kênh truyền. Mặt khác,
năng lượng tiêu thụ từ các thiết bị khi sử dụng một số lượng lớn các anten nhỏ cũng là
một thách thức chính với các hệ thống. Những nghiên cứu và thử nghiệm về mmWave
phát triển mạnh trong việc khai thác các ứng dụng của dải sóng mmWave trong các hệ
thống thông tin NLOS và hệ thống di động tế bào nhờ vào khả năng phản xạ mạnh của
sóng.

2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến sóng siêu cao tần
2.2.1 Suy hao do hấp thụ khí quyển
Bước sóng ngắn dẫn đến sự suy hao do hấp thụ bởi các phân tử khí khi truyền
qua không khí tăng. Tại tần số 10 GHz, suy hao do hấp thụ trong không gian tự do chủ
18


yếu do hấp thụ phân tử. Tại 28GHz, các yếu tố này bao gồm sự hấp thu do các phân tử
hơi nước, các phân tử khí oxy, độ giá trị suy hao đạt đỉnh tại các tần số 24 GHz, 60
GHz, 120 GHz, mối quan hệ giữa tần số và suy hao được thể hiện trong bảng, được
đưa ra trong hình 2.1.

Hình 2. 1: Suy hao hấp thụ do khí quyển ở các dải tần số [4]
Kết quả cho thấy suy hao do hấp thụ phân tử là 0.23 dB/km tại tần số 24 GHz và
13.55 dB/km tại tần số 60 GHz (Nhiệt độ 25, Độ ẩm 50%). Suy hao do nhiệt độ và độ
ẩm trên 1 km tại tần số 30 GHz được chỉ ra trong bảng sau:
Độ
ẩm

0

50

100

0

0.02

0.05

0.08

10

0.02

0.08

0.14

20

0.02

0.12

0.25

30

0.02

0.20

0.44

40

0.01

0.33

0.79

Nhiệt
độ

Bảng 2. 1: Suy hao do nhiệt độ và độ ẩm trên 1 km tại tần số 30GHz [4]
19


2.2.2 Suy hao do mưa
Mưa gây ra hiệu ứng hấp thụ và tán xạ đối với sóng vô tuyến. Sự suy hao do
mưa ảnh hưởng lớn đến các tia sóng truyền trong dải EHF. Độ suy hao do mưa phụ
thuộc vào độ lớn, hình dạng của hạt mưa, tốc độ rơi của mưa.
Mô hình suy hao cổ điển giả thiết rằng sóng suy hao do mưa theo số mũ khi hạt
mưa hình cầu, độ suy hao của sóng là khác nhau với từng hạt mưa tổng suy hao do mưa
là tổng suy hao của từng hạt mưa. Giá trị này được tính theo biểu thức[4]:
 dB 

  aR b  
 km 

(2.1)

Trong đó, R là lượng mưa mỗi giờ mm/h.
Chỉ số a, b phụ thuộc vào sự phân bố của kích thước của hạt mưa theo tần số
sóng mang.
Các chỉ số này là khác nhau và không phụ thuộc nhau với các sóng phân cực
khác nhau. Với f = 30 GHz:
𝑎𝑣 = 0.167,

𝑏𝑣 = 1.0,

𝑎ℎ = 0.187,

𝑏ℎ = 1.021

Vì sóng mmWave suy hao mạnh do mưa nên nó chỉ thích hợp với các hệ thống
truyền thông ngắn, như trong hệ thống thông tin di động tế bào, suy hao do mưa và cả
hấp thụ khí quyển là dưới 0.5 dB (24 GHz). Tại 28 GHz, độ suy hao do mưa là 1.4 dB
trong khoảng cách 200m, thể hiện ở hình dưới.

20


Hình 2. 2: Suy hao do mưa ở tần số 28GHz [5]
Hiện tượng sương mù cũng ảnh hưởng đến truyền sóng trong dải mmWave. Có
2 loại dương mù: Loại 1 hình thành do không khí ẩm di chuyển gặp vùng nước lạnh
hơn với lượng nước 0.4𝑔/𝑚3 , Loại 2 là sương mù hình thành trong lục địa vào ban
đêm ở ven sông có lượng nước 1𝑔/𝑚3 . Suy hao do sương mù khoảng 0.5dB/km [4].
2.2.3 Suy hao do cây cối
Các tia sóng truyền gần mặt đất có thể gặp phải các dạng cây khác nhau, đánh
giá suy hao do cây cối phức tạp do sự khác nhau về mật độ cây, hình dạng, trạng thái,
độ dày của lá cây, v.v. Vì thế, sóng truyền qua các tán cây sẽ gây ra suy hao công suất,
làm mất sự phân cực sóng, làm mở rộng búp sóng chính.
Một trong những đặc điểm quan trọng của cây được nghiên cứu và thử nghiệm
nhiều đó là trạng thái của lá cây: ít lá hoặc nhiều lá. Theo đó, sóng truyền qua các cây
ít lá chịu suy hao ít hơn so với các cây nhiều lá.
Các thử nghiệm thực tế cho thấy rằng, với tín hiệu 30.3 GHz độ trễ của các tia
đa đường khoảng 15ns với môi trường cây ít lá. Tại 28.8 GHz, sự phân cực chéo gây
ra suy hao 12 dB ở khoảng cách 12m và giảm đến 9 dB ở khoảng cách 60m.
21


Trong các kết quả khi truyền sóng mmWave qua cây sử dụng tín hiệu 9.6, 28.8,
57.6 GHz, suy hao trong 30m đầu tiên là 1.3-2.0 dB/m và 0.05 dB/m trong quãng
đường còn lại, chứng tỏ lá cây có ảnh hưởng đến sự tán xạ các tia sóng [6].
2.2.4 Hiệu ứng đa đường
Do có bước sóng nhỏ nên sóng mmWave chịu ảnh hưởng mạnh của hiệu ứng
phản xạ và tán xạ, vì thế tín hiệu trễ máy thu từ nhiều đường khác nhau, ngoài các tia
sóng truyền trong tầm nhìn thẳng các tia đa đường truyền ngẫu nhiên theo những lộ
trình không kiểm soát được, các tia này sau đó sẽ được thu bởi các anten có độ định
hướng cao. Một trong những tia đa đường đó là các tia bị phản xạ bởi mặt đất, tuy
nhiên sự khác biệt giữa độ dài đường truyền giữa những tia này và những tia truyền
trực tiếp là nhỏ: với 1 khoảng cách truyền 5 km thì sự chênh lệch này chỉ là 16 cm, gây
ra trễ khoảng 0.5s, quá nhỏ để gây ra nhiễu ISI.
Được biết đến như một yếu tố bất lợi trong truyền sóng nhưng trong các hệ
thống mmWave, hiệu ứng đa đường lại được tận dụng để cải thiện chất lượng tín hiệu.
Theo đó, các hệ thông này sử dụng kỹ thuật beam combining và beamforming để tận
dụng các tia sóng truyền ở các đường khác nhau (tuy nhiên, theo cách khác với mạng
di động 4G/LTE). Trạm thu sử dụng rất nhiều các phần tử anten để tăng SNR và giảm
tạp âm bằng kỹ thuật beam combining và beamforming.

2.3 Các nghiên cứu, kết quả thực nghiệm đo suy hao dải sóng siêu cao tần
Các nghiên cứu và khảo sát chỉ ra rằng, suy hao trong khoảng không gian 1mét
Trong khoảng cách vài trăm mét từ trạm gốc đến thiết bị, suy hao do mưa khoảng vài
dB. Suy hao khi truyền qua kính và kim loại nhiều lớp khoảng 25 – 50 dB mỗi lớp [8].
Một số kết quả khác cũng chỉ ra rằng trễ khi truyền trong tầm nhìn thẳng 500
MHz băng thông là không quá 10ns sử dụng anten phân cực, búp sóng hẹp [2].
Các đo đạc khi truyền sóng băng rộng 200 MHz trong thành phố cho thấy hiệu
ứng đa đường không ảnh hưởng nhiều đến truyền sóng trên đường phố, với trễ dưới
20ns.

22


Các nghiên cứu về mô hình suy hao trong dải sóng mmWave kết luận đặc tính
suy hao truyền sóng tầm nhìn thẳng gần như tương tự so với không gian tự do với 1 đại
lương là hệ số suy hao (Path Loss Exponent – PLE) là 2. Trong một số thử nghiệm
khác cũng trong các thành phố tại tần số 55 GHz, công suất giảm mạnh trong các tuyến
đường hẹp so với truyền thẳng hoặc trong tuyến phố rộng. Tại 60 GHz, các tia truyền
trong tầm nhìn thẳng chiếm tỷ lệ lớn tuy nhiên các tia phản xạ mặt đất có xu hướng
tăng khi truyền với khoảng cách xa. Tính từ lúc sóng được truyền từ anten của sóng
mmWave lớn hơn đáng kể so các dải tần UHF hiện nay, nhưng trong 1km tiếp theo, sự
chênh lệch này chỉ là vài dB [7]. Một số tần số đặc biệt 60, 180, 380 GHz gây ra sự
phản xạ phân tử dẫn đến tín hiệu suy hao mạnh hơn các tần số khác. Những tần số này
chỉ phù hợp với các khu vực truyền thông địa phương hoặc cá nhân trong khoảng cách
ngắn.
SamSung cũng đã thực hiện các thử nghiệm truyền sóng mmWave tại các tần số
28 GHz, 40 GHz để đánh giá suy hao khi truyền qua các vật cản như gỗ, nước, tay, lá,
v.v. Kết quả cho thấy rằng, tín hiệu suy hao 30 – 40 dB qua kim loại và nước ở khỏng
cá gần với máy thu. Cuối cùng đến năm 2017 SamSung thông báo họ đã truyền được
dữ liệu với tốc độ 1.2 Gbps, sóng mang 28 GHz với khoảng cách 800m. SamSung đã
sử dụng các kết quả đo này để xậy dựng hàm trễ công suất từ công suất nhận được từ
nhiều hướng anten, là cơ sở dữ liệu để xây dựng mô hình kênh tương tự như WINTER
II và 3GPP cho tần số 28GHz kênh băng rộng đô thị [9].
Trong môi trường đô thị NLOS, tín hiệu có thể truyền được trong khoảng cách
100 – 200m từ trạm phát với công suất 1 W. Khoảng cách này cũng tương đương với
khoảng cách truyền trong các hệ thống UHF đô thị hiện nay.

23


Chương 3. Mô phỏng suy hao kênh truyền trong thông tin di động
tế bào
3.1 Mô hình suy hao không gian tự do khoảng cách tham chiếu gần
Tham số của anten phát và thu:
 Chiều cao anten phát (TX): 7m
 Chiều cao anten thu (RX): 1.5m
 Độ rộng góc nửa công suất: 10,9
Suy hao của sóng truyền trong không gian tự do được đặc trưng bởi tham số suy hao
(Path Loss Exponent) n, công thức liên hệ giữa độ suy hao và khoảng cách:
d 
PL( d )  PL( d 0 )  10nlog10    X 
 d0 

(3.1)

Trong đó:


PL( d 0 ) là suy hao không gian tự do khoảng cách tham chiếu d 0 :
 4 d 0 
10 log10 
 với d 0  1m .
  
2

 n là hệ số suy hao.
 d là khoảng cách truyền (m).


X  là biến ngẫu nhiên có phân phối Gaussian với kỳ vọng 0, phương sai 𝜎,

được gọi là hệ số bóng râm, thể hiện sự thăng giáng của tín hiệu bởi hiện
tượng bóng râm gây ra bởi các vật cản lớn trên đường truyền. Hệ số tham
chiếu 𝑑0 có thể được thay đổi để phù hợp với yêu cầu đo lường và các kiểu
anten định hướng khác nhau. Hơn nữa, sự suy hao của sóng mmWave trong
1m đầu tiên là đáng kể, vậy nên chọn 𝑑0 = 1𝑚 sẽ dễ dàng so sánh kết quả
với các nghiên cứu khác.
Thuật ngữ cho các mô hình suy hao [2] :
24


Mô hình
LOS
NLOS

NLOS-beat

Giải thích
Suy hao khi giữa anten phát (TX) và anten thu (RX) hướng thẳng vào
nhau, giữa chúng không có vật cản.
Suy hao giữa anten phát (TX) và anten thu (RX) xuất hiện các vật cản
mà không có đường đi rõ ràng nào giữa 2 anten. Tuy nhiên kịch bản
này cũng chứa trường hợp TX và RX trong tầm nhìn thẳng, tuy nhiên
chúng không được căn chỉnh.
Suy hao khi chỉ có một anten định hướng nhận được tín hiệu có mức
công suất lớn nhất cho từng tổ hợp vị trí TX-RX. Kết quả này từ tín
hiệu đơn mạnh nhất được đo bởi PDP từ dữ liệu NLOS ở mỗi tổ hợp
vị trí TX-RX.

Tại tần số 28 GHz, các hệ số được tính toán thông qua các đo đạc và thống kế
trong bảng 3.1. Giá trị được liệt kê như sau :
LOS

PLE

NLOS

PLE

NLOS-best

PLE

1.9
1.1
4.5
10.0
3.8
9.3
Bảng 3. 1: Các hệ số tính toán LOS, NLOS, NLOS-beat mô hình khoảng cách tham
chiếu gần [3]
Kết quả mô phỏng:

25


Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×

×