Bài giảng Truyền sóng trong môi trường thông tin di động (Macro Cell)

Nội dung text: Bài giảng Truyền sóng trong môi trường thông tin di động (Macro Cell)

1. - - -    - - - Truyền súng trong mụi trường thụng tin di động (Macro Cell)
2. Telecommunications Program Truyềnsúngtrongmụitrườngthụngtin di động(Macro Cell) + Truyềnsúng đa đường(multipathpropagation) Trongmụitrườngdi động ở dảitầnVHF, UHF bỏ qua ảnhhưởng củacỏctrạm ở xa(khụngtruyềntheophươngthứcsúngtrời) Ảnhhưởngtruyềnsúng đa đường: Tổnhaotuyến(path loss), Mộo tầnsố(Doppler effect) vàMộobiờn độ (Rayleigh, Rician, fading) 1
3. Telecommunications Program + Mụhỡnhtổnhaotuyếntrongthụngtin di động -Trongkhụnggiantựdo thựcnghiệmchothấy: -2 PRr à 2 Phrà BTS Phrà MS -n Pfr à Vớimụitrườngngoàitrời2 Ê n Ê 4. vớimụitrườngtrongnhàn > 5 2
4. Telecommunications Program -Okumura Model Tầnsố: 150 MHz –1920 MHz. Khoảngcỏchtừ1km đến100km, antencaotừ 30m đến1000m Lm(dB) = L0 + A m,n(f,d) –G(hBTS) –G(hMS) –Garea Lm : Giỏtrị trungbỡnhcủatổnhaotuyếntruyềndẫn L0: Tổnhaotrongkhụnggiantựdo (phụ thuộcvàokhỏangcỏchvàtầnsố) A m,n(f,d) : tổnhaomụitrườngtương đối(so sỏnhvớimụitrườngchõnkhụng) thụngsốnày đo đạc đượcphụ thuộcvàotầnsốvàkhoảngcỏch G(hBTS) : Độ lợicủachiềucaoantentrạmgốcG(hBTS) = 20 log( hBTS /200) G(hMS ): Độ lợichiềucaocủathiếtbịcầmtay G(hMS) = 10log(hMS /3) vớihMS hMS > 3 m Garea : Hệ số làm đỳngdo đặc điểmcủamụitrườngtruyềndẫn cỏc đườngcụngA(f,d) & Garea đượcgọilà đườngOkumura 3
5. Telecommunications Program -Okumura Model Đườngcong A(f,d) 4
6. Telecommunications Program -Okumura Model Đườngcong Garea 5
7. Telecommunications Program -Okumura Model Vớdụ:Tớnhcụngsuấttạiantenthucủatrạmdi độngdựngmụhỡnh Okumura khibiết: trạmgốccaohBTS = 100m, phỏtcụngsuấtbứcxạvụ hướngtương đươngEIRP = 1kW, thiếtbịdi động ở độ caohMS = 10m với độ lợi0 dB vàcỏchtrạmgốc50km, hệ thốngsửdụngtầnsố900 MHz phủ súngtrongvựngngoạiụ. 6
8. Telecommunications Program -HataModel Tầnsố: 150 MHz –1500 MHz. Khoảngcỏchtừ1km đến 20km Lm(Urban)(dB) = 69.55 + 26.16log(fc) –13.82 log(hBTS) –a(hMS) + (44.9 –6.55log(hBTS)).log(d) Vớithànhphố lớn 2 a(hMS) = 8.29(log(1.54hMS)) –1.1 dB vớifc 300 MHz Vớithànhphố nhỏ vàvừa a(hMS) = (1.1log(fc) –0.7)hMS -( 1.56 log(fc) - 0.8) dB 7
9. Telecommunications Program -HataModel Vựngngoạiụ vànụngthụn 2 Lm(Suburban)(dB) = Lm(Urban)(dB) -2[log(fc /28)] –5.4 dB 2 Lm(open)(dB) = Lm(Urban)(dB) -4.78[log(fc)] + 18.33log(fc) -40.98 dB Lm(rural) = Lm(open) + Fading Margin (6-10dB) KhụngphựhợpchocấutrỳcMicro Cell Vớitầnsố: 1500 MHz –2000 MHz. (Extension HataModel or COST-231) Lm(Urban)(dB) = 46.3 + 33.9log(fc) –13.82 log(hBTS) –a(hMS) + (44.9 –6.55log(hBTS)).log(d) + C Vớia(hMS) giốngphầntrướcvà C làhệsố: C = 0 dB khilàthànhphố nhỏ, trungbỡnhhay vựngngoạiụ 8 C = 3 dB khilàtrungtõmthànhphố lớn
10. Telecommunications Program -HataModel Vớdụ: biết độ nhạycủamỏydi độngvớichấtlượngngherừlà –105.967dBm, antencủamỏydi động ở độ cao1.5m vàcú độ lợi1dB, trạmgốccú độ cao50m, phỏtvớicụngsuất40dBm, vàantencú độ lợi 8dB. hệ thốnghọat động ở tầnsố900MHz vàcú độ dự trữ fading 10dB. Xỏc địnhbỏnkớnhcell cực đạichovựngthànhphố (vừa), ngọaiụ và nụngthụn? 9
11. Telecommunications Program -Walfisch-Ikegami Model Mụhỡnhnàythể hiệnsựphụ thuộcvào4 thụngsố: độ caotoànhà, bề rộngcon đường, khoảngcỏchgiữacỏctũanhà, hướngcủacon đường so vớihướngcủatiatruyềnsúng d BS D h roof hBTS h roof MS hMS w b MS q 10 hướngtruyềnsúng
12. Telecommunications Program -Walfisch-Ikegami Model Lm = L0 + Lrts + Lmsd nếuLrts + Lmsd > 0 Lm = L0 nếuLrts + Lmsd < 0 L0 : tổnhaotrongkhụnggiantựdo Lrts: tổnhaodo nhiễuxạvàtỏnxạbởicỏcnúctũanhà = -16.9 -10log(w) + 10 log(fc) + 20log DhMS + Lori 0 0 Lori : -10 + 0.354(q) với0 <q<35 2.5 + 0.075(q – 350) với350 < q < 550 4.0 –0.114(q – 550) với550 < q < 900 Lmsd: tổnhaonhiễuxạnhiềutầng = Lbsh + ka + kdlog10(d) + kflog10(fc) –9log10(b) 11
13. Telecommunications Program -Walfisch-Ikegami Model Lbsh = -18log[1+(hBTS –hroof)]khihBTS > hroof = 0 khihBTS Ê hroof ka = 54khihBTS > hroof = 54 -0.8(hBTS –hroof)khihBTS Ê hroof vàd ³ 0.5 km = 54 -0.8(hBTS –hroof)d/2khihBTS Ê hroof vàd hroof = 18 –15 (hBTS –hroof)/ hroof khihroof Ê hroof kf = -4 + 0.7(fc/925 –1)chothànhphố nhỏ vàvừa = -4 +1.5(fc/925 –1)chothànhphố lớn Mụhỡnhnàyỏpdụngcho: tầnsốtừ800 đến2000MHz, hBTS từ 4m đến50 m, hMS từ 1m đến3m vàd từ 0.02 đến5km 12
14. Telecommunications Program + Mộotầnsố(Doppler effect) Khigiữamỏyphỏtvàmỏythucúsựdịchchuyểntương đốithỡtần sốthu đượccúsựkhỏcbiệtso vớitầnsốphỏtcủasúngmang D=ldcosθ 22ππDDlvt D=ϕθ= cos λλ 1 Dϕ v f= ==cosθθfcos Dm2π Dt λ 13
15. Telecommunications Program -Mộotầnsố(Doppler effect) Mật độ phổ K 1 Sf()= 2πf 2 m ổửff- 1- ỗữc ốứfm 14
16. Telecommunications Program + Mộobiờn độ Mụhỡnhfading Rayleigh: tạithiếtbịdi độngkhụngnhậnduynhất mộtloạisuyhaocủatớnhiệuphỏt(chỉ làtiaphảnxạ) màlàrất nhiềutớnhiệutừnhiềucon đườngvàhiệntượngkhỏcnhau. Xộtvề phacủacỏctớnhiệunàythỡco phangẫuhiờntrongkhoảng[0, 2p]. Theo luậtsốlớnvà địnhlýgiớihạntrungtõmthỡtớnhiệuthu được làtớnhiệuthụngdảicúphõnbốGausian, thànhphầncựngphavà vuụngphacúphõnbốGausianvớitrungbỡnhkhụngvàcựng phươngsainờntheo địnhlýtrungtõmtacúhàmmậtđộ xỏcsuất củabiờn độ cúdạngRayleigh ỡr22 ù er-r/2σ ³0 pr()=ớσ2 ợù 00r< 15
17. Telecommunications Program -Mụhỡnhfading Rayleigh Hàmtớchlũy R ổửR2 F(R)=p(r<R)=p(r)dr =1 exp r ũ ỗữ2 0 ốứ2σ 16
18. Telecommunications Program -Mụhỡnhfading Rayleigh Cụngsuấttrungbỡnhcủatớnhiệuthụngdảibằngẵcụngsuấttrung bỡnhcủabiờn độ phứccủanú, P = ẵE[|r|2], nờntacúthểđịnhnghĩa cụngsuấttứcthời u = r2/2. Nờncụngsuấtcúdạngphõnbốhàmmũõm 2uu dgu( ) 2u 2211 p(u)=p()r==ee2σσ du σσ222u -Mụhỡnhfading Rician(tựđọc) 17
19. Telecommunications Program -Vớdụ: Biờn độ củatớnhiệuthumongmuốncúdạngphõnbốRayleigh, tớnhiệu nhiễubiờn độ cũngcúdạngphõnbốRayleighvà độclậpvớitớnhiệuthu mongmuốn. -Xỏc địnhbiểuthứctớnhxỏcsuấtcủatỷsốtớnhiệutrờnnhiễunhỏ hơn giỏtrị k khitỷsốtớnhiệutrờnnhiễu trungbỡnh là c? -Xỏc địnhxỏcsuấtcủatỷsốtớnhiệutrờnnhiễubộhơn: i) 20 dB ii) 10 dB iii) 0 dB biếttỷsốtớnhiệutrờnnhiễu trungbỡnh là20 dB -Xỏc địnhtỷsốtớnhiệutrờnnhiễutrungbỡnhsaoxỏcsuấtcủatỷsốtớn hiệutrờnnhiễunhỏ hơn20 dB là: i) 10% ii) 1% 18 iii) 0.1%
20. Telecommunications Program + Fading nhiềutia Tớnhiệunhận đượctừnhiều đườngvụtuyếnkhỏcnhausẽđượccộng lạivớinhaulàmchotớnhiệutổngcúthể lớnhơnhay bộhơnmứctớn hiệutrungbỡnhnhận được, cỏcmứctớnhiệubộhơnđượcgọilàbị fade. Tũanbộhiệntượng đượcgọilàhiệntượngfading nhiềutia (multipathfading) 19
21. Telecommunications Program Signal Strength (dB) Telecommunications Program Small AreaAverage Distance λ /2 20
22. Telecommunications Program -Fading diệnrộng(large scale fading) Fading diệnrộnglàmụhỡnhquantõm đến độ lớncủatớnhiệugiữa phỏtvàthuvớinhữngkhỏangcỏchriờngbiệt(vàitrămm) vàdựng để ướclượngvựngphủ súng -Fading diệnhẹp(small scale fading) Fading diệnhẹplàmụhỡnhquantõm đếnsựthay đổi độ lớncủatớn hiệuthu đượctrongmộtkhỏangcỏchngắn(vàibướcsúng) hay một khoảngthờigianngắn -Fading nhanh(fast fading) vàfading chậm(slow fading) Biờn độ tớnhiệuthu đượclàhàmcủakhỏangcỏch r(x) màthụngtin di độngthiếtbịcầmtaydichuyển đượcbiểudiễnlàhàmcủathờigian r(t). Sự thay đổi(variance) trongkhụnggianlàhàmcủakhỏangcỏch đượcthể hiệnsựthay đổiphụ thuộcvàokhỏangcỏch đượcgọilà 21 fading nhanhvàfading chậm.
23. Telecommunications Program Fading nhanh xộtsựthay đổitrongkhỏangcỏchẵ bướcsúngthường do sự dichuyểncủacỏcvậtthể tỏnxạ(scatters). Fading nhanhbằng phẳngtrongmộtkhỏangdàitừ20 –40 bướcsúngthỡ đượcgọilàtrung bỡnhsector (sector average). Sự thay đổicủamứctớnhiệutrung được gọilà fading chậm sector average 22 r(t) = m(t) rt0 ( )
24. Telecommunications Program Thốngkờcủafading chậm: trongmụitrườngtruyềnsúnggiữatrạm gốcvàthiếtbịdi độnglàtớchcủanhiềuquỏtrỡnhngẫunhiờnlờntớn hiệu. NờnvớithangdB thỡmứccủacỏctớnhiệungẫunhiờnlàtổng. mà tổngcủanhiềubiếnngẫunhiờnthỡcúdạngphõnbốGausian. Do đú thốngkờcủafading chậmcúdạngphõnbốGausiantheothangdB và đượcgọilàphõnbốlognomal hay làmứctớnhiệuthu đượctheothang dB cúdạngphõnbốGausian ()Lm- 2 - L 1 2 p()Le= 2σL 2πσL L làmứctớnhiệu ở khỏangcỏchcụthể mL làsuyhaotrungbỡnhtạimộtkhỏangcỏchcụthể 23 sL là độ lệchchuẩncủasuyhaotrungbỡnh
25. Telecommunications Program Thốngkờcủafading nhanh: biờn độ củatớnhiệunhận đượcdo fading nhanhthườngcúphõnbốRayleighhay Rician. n(r) = N/T level crossing rate làtỷsốgiữatổngtấtcảcỏcmứcvượttrờn mộtgiớihạntrongkhỏangthờigianchotrướcvớikhỏangthờigiannày. à phụ thuộcvàohiệntượngDoppler t(r) = ồti/N average duration of fades làtỷsốgiữatổngthờigiancủacỏc fades trongkhỏangthờigianchotrướcvớitổngsốfades à xỏc địnhkỹ 24 thuậtmóhúakờnh
26. Telecommunications Program + Mụhỡnhkờnhfading nhiềutia t = t0 + t4 t = t0 + t3 t = t0 + t1 t = t0 + t2 Transmit MultipathReceived Signals t=t0 25
27. Telecommunications Program + Mụhỡnhkờnhfading nhiềutia 2 ồồaPkτk()ττkk kk iθ τ==2 e ồồaPkk()τ kk 2 2 στ =-ττ() 222 ồồaPkτk()ττkk 2 kk τ ==2 ồồaPkk()τ kk 26
28. Telecommunications Program -Băngthụngkếthợp(coherence bandwidth) 1 Bc ằ 50στ -Thờigiankếthợp(coherence time) 90.423 Tc ==2 16π ffmm 27
29. Telecommunications Program -Cỏclọaikờnhfading 28
30. Telecommunications Program -Fading phẳng 29
31. Telecommunications Program -Fading lựachọntầnsố 30
32. Telecommunications Program -Mụhỡnhkờnhfading nhiềutia White White White White White White Gaussian Gaussian Gaussian Gaussian Gaussian Gaussian Noise Noise Noise Noise Noise Noise + x + x + x j j j Doppler Doppler Doppler Filter Filter Filter x x x Transmitted Signal Ts Ts + + AWGN + Channel Output 31