›
›

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

pptx 71 trang phuongnguyen 280
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng Đặc điểm của kênh truyền trong thông tin di động", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • pptxbai_giang_dac_diem_cua_kenh_truyen_trong_thong_tin_di_dong.pptx

Nội dung text: Bài giảng Đặc điểm của kênh truyền trong thông tin di động

  1. Telecommunications Program 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 1
  2. 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 trong2 thời gian ngắn được gọi là mô hình diện hẹp hay mô hình fading
  3. Telecommunications Program Chương 3: Đặc điểm của kênh truyền trong thông tin di động 3
  4. 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 trong4 một đợn vị thể tích là lớn
  5. 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 2Ed002 hhTR E( v/ m) 5 TOT dd
  6. 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 hh22 PPGG= TR RTTR d 4 PL( dB) =40log d − GTRTR( dB) − G( dB) − 20log h − 20log h 6
  7. 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
  8. 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 h2 dd+ = 12 2 dd12 ▪ Sai biệt pha 22 h2 dd+  = =12 = v2 22dd12 ▪ v là tham số nhiễu xạ Fresnel-Kirchoff 2(dd+ ) vh= 12 dd12 8
  9. 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 L( dB) =0 v − 1 L( dB) =20log( 0.5 − 0.62 v) − 1 v 0 L( dB) =20log( 0.5 e−0.95v ) 0 v 1 2 L( dB) =20log 0.4 − 0.1184 −( 0.38 − 0.1 v) 1 v 2.4 0.225 L( dB) = 20log v 2.4 v 9
  10. Telecommunications Program 10
  11. 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  hC = 8sini 11
  12. 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 PRTT( dBm) = P( dBm) + G( dB) +20log  + RCS − 30log( 4 ) − 20logddTR − 20log ▪ 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
  13. 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
  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 ▪ 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
  15. 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 LOkumura= L F + A mu( f, d) − G( h te) − G( h re) − G AREA ▪ 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 hte G( hte) =20log 30 m h te 1000 m 200 hre G( hre) = 10log h re 3 m 3 hre G( hre) =20log 3 m h re 10 m 15 3
  16. 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
  17. Telecommunications Program Chương 3: Đặc điểm của kênh truyền trong thông tin di động 17
  18. 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 LF =62.4 + 20log d + 20log f = 62.4 + 20log50 + 20log900 = 125.5dB hte G( hte ) =20log = − 6 dB 200 hre G( hre ) ==20log 10.46 dB 3 PL= LF + A mu( f, d) − G( h te) − G( h re) − G AREA = 155.04 dB PRR= EIRP − PL + G =60 dBm − 155.04 = − 95.04 dBm18
  19. 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 PLurban( dB) =69.55 + 26.16log f c − 13.82log h te − a( h re ) +−( 44.9 6.55loghdte ) log ▪ 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 phụ19 thuộc vào kích thước vùng phu sóng
  20. 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 a( hre)( dB) =(1.1log f c − 0.7) h re −( 1.56log f c − 0.8) ▪ Đối với thành phố lớn 2 a( hre)( dB) =8.29( log1.54 h re ) − 1.1 f 300 MHz 2 a( hre)( dB) =3.2( log11.75 h re ) − 4.97 f 300 MHz ▪ Đối với khu vực ngoại ô thì mô hình Hata được xác định 2 f PL( dB) = PL( dB) −2 logc − 5.4 suburban urban 28 20
  21. 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 2 PLrural( dB) = PL urban( dB) −4.78( log f c) − 18.33log f c − 40.98 ▪ 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 PLurban( dB) =46.3 + 33.9log f c − 13.82log h te − a( h re ) 21 +( 44.9 − 6.55loghte) log d + C M
  22. 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
  23. 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
  24. 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
  25. Telecommunications Program • 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 =ldcos 22 l v t = = cos  1 v f = ==cosf cos Dm2 t  25
  26. 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
  27. 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 d = vt v d ▪ 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
  28. Telecommunications Program Multipath 2nd MCChannel 1st MC Base Mobile 2 Station 1st MC 4th MC Multipath 2nd MC Channel 3rd MC Mobile 1 (Multipath Component) 28
  29. 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 + ydt( ,,,) = xt( )  hdt( ) = x() hdt( − ) d  − Nếu h(d,t) = 0 khi t < 0 thì t y( d,, t) =− x() h( d t ) d  − ▪ Do máy thu di chuyển với vận tốc v nên d = vt khi đó t y( vt,, t) =− x() h( vt t ) d  29 −
  30. 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 t yt( ) = x() hvtt( ,,, − ) d  = xt( )  hvtt( ) = xt( )  hdt( ) − ▪ 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
  31. 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 + y( t) = x() h( t,, ) d  = x( t)  h( t  ) − ▪ 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 j2 fc t h( t,) = Re hb ( t , ) e  ▪ 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
  32. Telecommunications Program x(t) jct y(t) h(t, ) = Re hb (t, )e  jct j t y(t) = Re r(t)e  x(t) = Re c(t)e c  y(t) = x(t)  h(t, ) Bandpass Channel Impulse Response Model c(t) 1 r(t) hb (t, ) 1 2 r()()(,) t= c t h t  2 b Baseband Equivalent Channel Impulse Response Model • 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
  33. 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 Amplitude of Multipath Component Có N thành phần đa đường (0 N-1) o= 0  =  Excess 1 Delay i= (i)  Bin N-1= (N-1)   (excess delay)   0 2 i N-1 Excess delay: Trể tương đối của thành phần thứ i so với đường đầu tiên đến máy thu th 33 i : Excesss delay of i multipath component, N : Maximum excess delay
  34. 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 1 2 N-2 N-1 Nth Component  0=0 1 N−3 N−2 N−1 (relative delay of multipath Comnponent) 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 34
  35. 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: N −1 j(2 fc  i ( t )+ i ( t ,  )) hb( t , )=− a i ( t ,  ) e  (   i ( t )) i=0 ▪ 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 ▪ 2 fc  i ( t )+ i ( 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 35 truyền
  36. Telecommunications Program Chương 3: Đặc điểm của kênh truyền trong thông tin di động hb(t,) t t3 (t3) t2 (t2) t1 (t1) t 0 (t )  0 o 1 2 3 4 5 6 N-2 N-1 36
  37. 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 N −1 ji hb ( ) =  aie  ( − i ) i=0 ▪ Để xác định hb() thì một xung thăm dò giống như hàm xung đơn vị được truyền đi p(t)  (t − ) ▪ Đối với mô hình kênh truyền diện hẹp thì power delay profile 2 của kênh truyền được xác định bằng cách lấy trung bình của hb (t; ) ở khu vực được xem là diện hẹp 37
  38. 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 2 P()(;) k hb t 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
  39. Telecommunications Program 2 aPi i()  i  i ii Mean Excess Delay  ==2 aPii() ii Giá trị điển hình của d : 2 2 Indoor: 10-100 ns rms Delay Spread  d =−( ) Outdoor: 0.1-10 s 2 2 2 aPi i()  i  i 2 ii Với  ==2 aPii()  39 ii
  40. Telecommunications Program 40
  41. 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 thống kê dải tần số mà kênh truyền có thể xem như là phẳng (nghĩa là kênh truyền cho các thành phần phổ đi qua có độ lợi gần như bằng nhau và pha tuyến tính). Băng thông kết hợp nếu được định nghĩa là dải thông mà hàm tương quan tần số lớn hơn 0.9 thì 1 Bc 50 d ▪ Băng thông kết hợp (coherence bandwidth) nếu được định nghĩa là dải thông mà hàm tương quan tần số lớn hơn 0.5 thì: 1 Bc 5 d 41
  42. 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 ▪ Ví dụ: Xác định trễ vượt mức trung bình, trải trễ và trễ vượt mức cực đại (10dB) cho profile đa đường như sau. Xác đinh băng thông kết hợp 50% của kênh truyền 42
  43. 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 ▪ Doppler Spread và Coherence Time: ▪ Trải trễ và Bc là các thông số diễn tả sự phân tán thời gian tự nhiên của kênh truyền ở một vùng (local area). Tuy nhiên chúng không đề cập đến sự biến thiên thời gian một cách tự nhiên của kênh truyền do sự chuyển động giữa mobile và BS hoặc sự chuyển động của các vật thể trong kênh truyền. Trải Doppler và thời gian kết hợp là các thông số mô tả sự biến thiên thời gian một cách tự nhiên của kênh truyền trong phạm vị hẹp ▪ Trải Doppler BD là phép đo phổ mở rộng do sự thay đổi kênh truyền vô tuyến di động tỷ lệ theo thời gian và được định nghĩa là dải tần nhận được phổ Doppler. Nếu chỉ có thành phần tần số fc phát đi và phổ tần nhận được gọi là phổ Doppler nằm trong dải fc – fd và f c+ fd với fd là độ dịch Doppler 43
  44. 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 ▪ Doppler Spread và Coherence Time: ▪ Nếu tín hiệu BB có băng thông lớn hơn BD thì có thể bỏ qua ảnh hưởng của trải Doppler ở đầu thu. Đây là kênh truyền fading chậm ▪ Coherence Time là phép đo thống kê khoảng thời gian mà đáp ứng xung của kênh truyền không thay đổi và xác định số lượng đáp ứng kênh truyền ở những lần khác nhau. Nói cách khác TC là khoảng thời gian mà hai tín hiệu thu được có tương quan biên độ điện áp đủ lớn. Giá trị TC được đề nghị 9 0.423 Tc ==2 16 ffmm 44
  45. 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 ▪ Doppler Spread và Coherence Time: ▪ Nếu tín hiệu BB có băng thông lớn hơn BD thì có thể bỏ qua ảnh hưởng của trải Doppler ở đầu thu. Đây là kênh truyền fading chậm ▪ Coherence Time là phép đo thống kê khoảng thời gian mà đáp ứng xung của kênh truyền không thay đổi và xác định số lượng đáp ứng kênh truyền ở những lần khác nhau. Nói cách khác TC là khoảng thời gian mà hai tín hiệu thu được có tương quan biên độ điện áp đủ lớn. Giá trị TC được đề nghị 9 0.423 v Tc ==2 với fm = độ dịch Doppler cực đại 16 ffmm  45
  46. Telecommunications Program 4. Phân lọai kênh fading 46
  47. Telecommunications Program Chương 3: Đặc điểm của kênh truyền trong thông tin di động 4. Phân loại kênh fading Fading do trải trễ đa đường: Fading phẳng: Nếu kênh truyền có độ lợi là hằng số và pha tuyến tính trên băng thông lớn hơn băng thông của tín hiệu phát thì tín hiệu thu sẽ bị ảnh hưởng bởi fading phẳng. Đặc tính của fading phẳng được cho như sau Nếu độ lợi của kênh truyền thay đổi theo thời gian thì sẽ làm thay đổi biên độ của tín hiệu thu hay còn gọi là kênh truyền biến đổi biên độ. Sự thay đổi biên độ thông thường được diễn tả bởi hàm phân bố Rayleigh 47
  48. Telecommunications Program - Fading phẳng 48
  49. Telecommunications Program Chương 3: Đặc điểm của kênh truyền trong thông tin di động 4. Phân loại kênh fading Fading do trải trễ đa đường: Fading lựa chọn tần số: Nếu băng thông của kênh truyền nhỏ hơn băng thông của tín hiệu thì kênh truyền tạo ra fading lựa chọn tần số đối với tín hiệu thu 49
  50. Telecommunications Program - Fading lựa chọn tần số 50
  51. Telecommunications Program 4. Phân lọai kênh fading Bandwidth of Received Signal Frequency Selective Frequency Selective Time Flat Time Selective Bc Time Flat Time Selective Frequency Flat Frequency Flat Duration of Received Symbol Tc 51
  52. Telecommunications Program Chương 3: Đặc điểm của kênh truyền trong thông tin di động 5. Phân bố Rayleigh và Ricean a. Phân bố fading Rayleigh Trong kênh truyền TTDĐ phân bố Rayleigh thường được dùng để mô tả thống kê sự biến thiên theo thời gian của tín hiệu fading phẳng hoặc một thành phần đa đường độc lập Phân bố Rayleigh có hàm mật độ xác suất như sau: r 22 er−r /2 0 pr()=  2 0 r 0 ▪  được xem là điện áp hiệu dụng của tín hiệu thu ▪ 2 là công suất trung bình theo thời gian của tín hiệu thu 52
  53. Telecommunications Program Chương 3: Đặc điểm của kênh truyền trong thông tin di động 5. Phân bố Rayleigh và Ricean a. Phân bố fading Rayleigh Hàm mật độ xác suất có dạng 53
  54. Telecommunications Program Chương 3: Đặc điểm của kênh truyền trong thông tin di động 5. Phân bố Rayleigh và Ricean a. Phân bố fading Rayleigh Giá trị trung bình được xác định + + r2 2 − r 2 E r== rp r dr e2 dr ( ) ( ) 2 − 0  Er( ) = =1.2533 2 Phương sai của phân bố Rayleigh được cho bởi + 2=E r 2 − E 2 r = r 2 p r dr − 2 r ( ) ( ) ( ) 0 2 22 = 2 − = 0.4292 54 2
  55. Telecommunications Program Chương 3: Đặc điểm của kênh truyền trong thông tin di động 5. Phân bố Rayleigh và Ricean b. Phân bố fading Ricean Khi tín hiệu thu nhận được một thành phần nonfading chẳng hạn như đường LOS thì tín hiệu thu có phân bố Ricean. Hàm mật độ xác suất có dạng (rA22+ ) − r2 Ar 2 22e I0 A 0, r 0 pr( ) =  0 r 0 A là biên độ đỉnh của tín hiệu nonfading và I0(.) là thành phần bậc 0 của hàm Bessel Phân bố Ricean cũng mô tả các đại lượng dưới dạng thông số K được định nghĩa là tỷ số giữa công suất tín hiệu xác định55và phương sai của đa đường
  56. Telecommunications Program Chương 3: Đặc điểm của kênh truyền trong thông tin di động 5. Phân bố Rayleigh và Ricean b. Phân bố fading Ricean A2 K( dB) =10log 2 2 Thông số K được gọi là hệ số Ricean 56
  57. Telecommunications Program Chương 3: Đặc điểm của kênh truyền trong thông tin di động 6. Một số mô hình thống kê được sử dụng cho kênh truyền fading đa đường ▪ Có rất nhiều mô hình đa đường được đề nghị để giải thích các thống kê quan sát được ở kênh truyền di động tự nhiên. Tuy nhiên mô hình Clarke được sử dụng rộng rãi ▪ Mô hình Clarke cho fading phẳng 57
  58. Telecommunications Program Chương 3: Đặc điểm của kênh truyền trong thông tin di động 6. Một số mô hình thống kê được sử dụng cho kênh truyền fading đa đường ▪ Có rất nhiều mô hình đa đường được đề nghị để giải thích các thống kê quan sát được ở kênh truyền di động tự nhiên. Tuy nhiên mô hình Clarke được sử dụng rộng rãi ▪ Mô hình Clarke cho fading phẳng: Mô hình được giả định là máy phát cố định với antenna phân cực đứng. Trường đến antenna thu của mobile cũng được giả định là gồm N mặt sóng với góc pha tùy ý, góc tới tùy ý và mỗi sóng có biên độ trung bình bằng nhau (giả định này được đặt ra là do không có đường LOS) ▪ Xét mobile di chuyển theo hướng x với vận tốc v và góc của sóng tới trên mặt x-y 58
  59. Telecommunications Program Chương 3: Đặc điểm của kênh truyền trong thông tin di động 6. Một số mô hình thống kê được sử dụng cho kênh truyền fading đa đường Với sóng đến thứ n ở góc tới n thì độ dịch Doppler là v fc= os nn 59
  60. Telecommunications Program Chương 3: Đặc điểm của kênh truyền trong thông tin di động 6. Một số mô hình thống kê được sử dụng cho kênh truyền fading đa đường ▪ Mô hình Clarke fading phẳng Các thành phần trường E và H ở đầu thu mobile với sóng phân cực đứng như sau N E0 là biên độ thực của điện Ez=+ E0  C ncos( 2  f c t n ) trường trung bình n=1 C là biến ngẫu nhiên có giá E N n 0 trị thực là biên độ của từng Hx= − C nsin n c os( 2 f c t +  n )  n=1 thành phần sóng N E0 = 377 trở kháng sóng Hy= − C ncos n c os( 2 f c t +  n )  n=1 n là góc pha ngẫu nhiên của thành phần thư n 60
  61. Telecommunications Program Chương 3: Đặc điểm của kênh truyền trong thông tin di động 6. Một số mô hình thống kê được sử dụng cho kênh truyền fading đa đường ▪ Mô hình Clarke fading phẳng Các thành phần trường Ez, Hx, Hy có thể được xấp xĩ như là biến ngẫu nhiên có phân bố Gaussian nếu thành phần N đủ lớn. Các góc pha cũng được xem như phân bố đều trong khoảng (0, 2 ). Theo Rice thành phần điện trường có thể biểu diễn bởi thành phần đồng pha và vuông pha Ez=− T c( t) cos( 2 f c t) T s( t) sin( 2 f c t) N N T t=+ E Ccos 2  f t c( ) 0  n( n n ) Ts( t) =+ E0  C nsin( 2  f n t n ) n=1 n=1 61
  62. Telecommunications Program Chương 3: Đặc điểm của kênh truyền trong thông tin di động 6. Một số mô hình thống kê được sử dụng cho kênh truyền fading đa đường ▪ Mô hình Clarke fading phẳng Tc(t) và Ts(t) là các quá trình ngẫu nhiên có phân bố Gausian với giá trị trung bình là zero và phương sai bằng nhau 2 2 E TTE22= = = 0 c s z 2 Biên độ của tín hiệu thu 22 r( t) = Ez = T c( t) + T s ( t) Tổng của hai biến ngẫu nhiên có phân bố Gaussian và trực giao sẽ là biến ngẫu nhiên có phân bố Rayleigh với E 2  2 = 0 62 2
  63. Telecommunications Program Chương 3: Đặc điểm của kênh truyền trong thông tin di động 6. Một số mô hình thống kê được sử dụng cho kênh truyền fading đa đường ▪ Mô hình Clarke fading phẳng Hàm mật độ phổ công suất của tín hiệu thu đối với mô hình Clarke được xác định 1.5 Sf( ) = Ez 2 ff− c fm 1− fm Trong phương trình trên mật độ phổ công suất là vô hạn ở tần số 0 f = fc fm . Nghĩa là thành phần Doppler đến chính xác ở góc 0 và 1800 thì mật độ phổ công suất là vô hạn. Tuy nhiên góc đến phân bố liên tục nên xác suất hiện vấn đề trên là zero 63
  64. Telecommunications Program Chương 3: Đặc điểm của kênh truyền trong thông tin di động 6. Một số mô hình thống kê được sử dụng cho kênh truyền fading đa đường ▪ Mô hình Clarke fading phẳng 64
  65. Telecommunications Program Chương 3: Đặc điểm của kênh truyền trong thông tin di động 6. Một số mô hình thống kê được sử dụng cho kênh truyền fading đa đường ▪ Tỷ lệ vượt mức (Level Crossing Rate) và giá trị trung bình thời gian fading (Average Fade Duaration): LCR được định nghĩa là tốc độ mong muốn để biên độ fading Rayleigh đã được chuẩn hóa với biên độ của tín hiệu hiệu dụng vượt mức ngưỡng R theo hướng dương − 2 NRm= 2 f e = Rr/ rms Giá trị trung bình thời gian fading được định nghĩa là giá trị trung bình của chu kỳ tín hiệu thu nằm dưới mức ngưỡng R 1  = P( r R) 65 NR
  66. Telecommunications Program Chương 3: Đặc điểm của kênh truyền trong thông tin di động 6. Một số mô hình thống kê được sử dụng cho kênh truyền fading đa đường P(r R) là xác suất để biên độ thu r nhỏ hơn mức ngưỡng R. Đối với phân bố Rayleigh 2 R 2 e −1 P( r R) = p( r) dr =1 − e− = f 2 0 m Ví dụ: Tìm thời gian trung bình bị fading đối với mức ngưỡng =0.707 nếu tần số Doppler là 20Hz. Nếu sử dụng điều chế nhị phân với tốc độ 50bps thì fading Rayleigh là chậm hay nhanh. Số bit lỗi trung bình trong một giây ứng với tốc độ dữ liệu. Giả sử bit lỗi có thể xãy ra khi trong thời gian tồn tại bit gặp phải fade với <1 66
  67. Telecommunications Program Chương 3: Đặc điểm của kênh truyền trong thông tin di động 6. Một số mô hình thống kê được sử dụng cho kênh truyền fading đa đường 2 e0.707 −1  ==18.3ms (0.707) 20 2 Rb = 50bps thì Tb = 20ms > 18.3ms nên fading sẽ là fading nhanh Với = 0.1 = 0.002s Chỉ có 1 bit lỗi trong thời gian xãy ra fading Xác định LCR NR = 4.96 nghĩa là trong một giây xãy ra 5 lần dưới ngưỡng ( bị fade) nên BER = 5/50 = 0.1 67
  68. Telecommunications Program Bài tập • Công suất phát 10w độ lợi antenna phát 10dB, độ lợi antenna thu là 3dB. Suy hao hệ thống là 1dB ở tần số 900MHz. Tính công suất thu nếu đường truyền có nhiễu xạ cạnh như hình. So sánh với trường hợp không có vật chắn và tính suy hao do nhiễu xạ 68
  69. Telecommunications Program Bài tập • Công suất thu ở điểm tham chiếu 1km là 1 W. Tìm công suất thu ở khoảng cách 2Km, 5Km, 10Km và 20Km với các mô hình suy hao đường truyền như sau a) Không gian tự do b) Mô hình phản xạ 2 tia c) Mô hình Hata mở rộng Biết f = 1800MHz, hT = 40m, hR = 3m độ lợi antenna là 0dB Luu y 22 EE 2 PPAAG= = = R d e120 e 120 R 4 69
  70. Telecommunications Program Bài tập • Cho biểu đồ công suất của hai kênh truyền dưới đây. Xác định băng thông kết hợp 70
  71. Telecommunications Program • 3.10; 3.11; 3.17; 4.7; 4.8; 4.18 71