Bài giảng Chương 3: Truyền lan sóng trong thông tin di động môn Truyền sóng và anten | Học viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông

BÀI GIẢNG TRUYỀN SÓNG VÀ ANTEN Giảng viên: Nguyễn Việt Hƣng Email: nvhung_vt1@ptit.edu.vn Tel: *** Bộ môn: Vô tuyến Khoa: Viễn Thông 1 Học kỳ/Năm biên soạn: II/2014 www.ptit.edu.vn CHƢƠNG 3: TRUYỀN LAN SÓNG TRONG THÔNG TIN DI ĐỘNG
Giảng viên: Nguyễn Việt Hƣng 2
Bộ môn: Vô Tuyến – Khoa Viễn Thông 1 www.ptit.edu.vn TRUYỀN SÓNG & ANTEN Nội dung
• 3.1 Đặc trƣng truyền sóng vô tuyến di ộng
• 3.2 Đặc tính kênh vô tuyến di ộng
• 3.3 Các loại phadinh phạm vi hẹp
• 3.4 Phân bố Rayleigh và Rice
• 3.5 Các mô hình kênh vô tuyến di ộng
• 3.6 Câu hỏi và bài tập
Giảng viên: Nguyễn Việt Hƣng 3
Bộ môn: Vô Tuyến – Khoa Viễn Thông 1 www.ptit.edu.vn TRUYỀN SÓNG & ANTEN Nội dung
• 3.1 Đặc trƣng truyền sóng vô tuyến di ộng
• 3.2 Đặc tính kênh vô tuyến di ộng
• 3.3 Các loại phadinh phạm vi hẹp
• 3.4 Phân bố Rayleigh và Rice
• 3.5 Các mô hình kênh vô tuyến di ộng
• 3.6 Câu hỏi và bài tập
Giảng viên: Nguyễn Việt Hƣng 4
Bộ môn: Vô Tuyến – Khoa Viễn Thông 1 www.ptit.edu.vn TRUYỀN SÓNG & ANTEN
3.1 – Đặc trƣng truyền sóng vô tuyến di ộng • Đặc iểm
• Đặc tính của kênh vô tuyến di ộng ảnh hƣởng trực tiếp ến chất
lƣợng truyền dẫn và dung lƣợng • Phản xạ • Nhiễu xạ • Tán xạ • Hiệu ứng Doppler • Suy hao phạm vi rộng
• Ảnh hƣởng phạm vi hẹp
Hình 3.1: Truyền sóng vô tuyến
Giảng viên: Nguyễn Việt Hƣng 5
Bộ môn: Vô Tuyến – Khoa Viễn Thông 1 www.ptit.edu.vn TRUYỀN SÓNG & ANTEN
3.1 – Đặc trƣng truyền sóng vô tuyến di ộng • Đặc iểm
• Các yếu tố hạn chế từ môi trƣờng truyền vô tuyến:
• Suy hao: tăng theo khoảng cách từ 50dB – 150 dB
• Che tối: Do các vật cản lớn trên ƣờng truyền làm suy giảm tín hiệu
• Pha inh a ƣờng: Tín hiệu trực tiếp, phản xạ, nhiễu xạ, tán xạ, giao thoa với nhau
gây méo tín hiệu (thay ổi cƣờng ộ tín hiệu) Nhiễu giao thoa giữa các ký hiệu
ISI, InterSymbol Interferrence, do phân tán thời gian.
• Nhiễu: Trùng tần số (CCI – CoChannel Interference), kênh lân cận (ACI –
Adjacent Channel Interference)
Giảng viên: Nguyễn Việt Hƣng 6
Bộ môn: Vô Tuyến – Khoa Viễn Thông 1 www.ptit.edu.vn TRUYỀN SÓNG & ANTEN
3.1 – Đặc trƣng truyền sóng vô tuyến di ộng
• Ảnh hƣởng phạm vi rộng
• Suy hao xảy ra do khoảng cách ƣờng truyền (d) và vật cản lớn giữa
máy phát và máy thu (shadowing hay slow phadinh) P PL T PL d n (3.1) PR
• n: số mũ suy hao ƣờng truyền
• Vùng thành phố n: 3,8 – 4,5
• Vùng nông thôn n: 2,5 – 3 • Free space n: 2
Giảng viên: Nguyễn Việt Hƣng 7
Bộ môn: Vô Tuyến – Khoa Viễn Thông 1 www.ptit.edu.vn TRUYỀN SÓNG & ANTEN
3.1 – Đặc trƣng truyền sóng vô tuyến di ộng
• Ảnh hƣởng phạm vi hẹp
• Do ảnh hƣởng của phản xạ, tán xạ, nhiễu xạ dẫn ến a ƣờng dẫn ến các hiệu ứng:
• Trải trễ (Delay Spread): Số o trễ do hiệu ộ dài ƣờng truyền của các ƣờng truyền sóng
• Trải góc (Angle Spread): Số o ộ dịch góc của các ƣờng truyền không trực
tiếp so với ƣờng truyền trực tiếp
• Trải Doppler (Doppler Spread): Số o về tốc ộ thay ổi kênh gây ra do sự
chuyển ộng của máy phát và (hoặc) máy thu so với các vật thể tán xạ trong môi
trƣờng truyền sóng a ƣờng.
Giảng viên: Nguyễn Việt Hƣng 8
Bộ môn: Vô Tuyến – Khoa Viễn Thông 1 www.ptit.edu.vn TRUYỀN SÓNG & ANTEN
3.1 – Đặc trƣng truyền sóng vô tuyến di ộng
• Đặc tính ngẫu nhiên của kênh
• Các kênh vô tuyến mang tính ngẫu nhiên a) b) c)
Hình 3.2: Tính chất kênh trong các miền không gian, tần số và thời gian
Giảng viên: Nguyễn Việt Hƣng 9
Bộ môn: Vô Tuyến – Khoa Viễn Thông 1 www.ptit.edu.vn TRUYỀN SÓNG & ANTEN Nội dung
• 3.1 Đặc trƣng truyền sóng vô tuyến di ộng
• 3.2 Đặc tính kênh vô tuyến di ộng
• 3.3 Các loại phadinh phạm vi hẹp
• 3.4 Phân bố Rayleigh và Rice
• 3.5 Các mô hình kênh vô tuyến di ộng
• 3.6 Câu hỏi và bài tập
Giảng viên: Nguyễn Việt Hƣng 10
Bộ môn: Vô Tuyến – Khoa Viễn Thông 1 www.ptit.edu.vn TRUYỀN SÓNG & ANTEN
3.2 – Đặc tính của kênh vô tuyến di ộng • Miền không gian
• Tổn hao ƣờng truyền (Path Loss) PL hay Lp
• Phụ thuộc khoảng cách: Công suất thu trung bình giảm so với khoảng cách theo hàm logarit PL d n (3.2)
• Mô hình tổn hao ƣờng truyền bao gồm nhiều tham số, tại một khoảng cách d xác
ịnh thì PL là một quá trình ngẫu nhiên có phân bố log chuẩn quanh giá trị trung bình 0 d (3.3) PL d dB PL d X( ) PL d 10nlg X d0
PL d : Tổn hao ƣờng truyền trung bình tại khoảng cách d
X : Biến ngẫu nhiên phân bố Gauss, trung bình “0”, phƣơng sai σ d0
: khoảng cách tham chuẩn thu phát n
: số mũ tổn hao ƣờng truyền
Giảng viên: Nguyễn Việt Hƣng 11
Bộ môn: Vô Tuyến – Khoa Viễn Thông 1 www.ptit.edu.vn TRUYỀN SÓNG & ANTEN
3.2 – Đặc tính của kênh vô tuyến di ộng
• Miền tần số • Hiệu ứng Doppler Khi c >> v fd v f c v 0 r
f (1 v) f0(3.5) f
c vs f0 (3.4) ≈ c c
c: vận tốc truyền sóng; v r: vận tốc máy thu; v s: vận tốc máy phát f: tần số thu; f
0: tần số phát; f d: ộ dịch tần số gây ra bởi hiệu ứng Doppler
Hình 3.3: Hiệu ứng Doppler
Giảng viên: Nguyễn Việt Hƣng 12
Bộ môn: Vô Tuyến – Khoa Viễn Thông 1 www.ptit.edu.vn TRUYỀN SÓNG & ANTEN
3.2 – Đặc tính của kênh vô tuyến di ộng • Miền tần số • Hiệu ứng Doppler f (3.6) i d fc os i f f Khi im ax α d = 0 Khi f f α = π i min d Khi fi 0 α = π /2
Hình 3.4: Hiệu
ứng Doppler với góc α
Giảng viên: Nguyễn Việt Hƣng 13
Bộ môn: Vô Tuyến – Khoa Viễn Thông 1 www.ptit.edu.vn TRUYỀN SÓNG & ANTEN
3.2 – Đặc tính của kênh vô tuyến di ộng • Miền tần số
• Điều biến tần số:
• Hiệu ứng Doppler => dịch tần số Doppler fd v v (3.6) f f cd os f c0. os cos c fR f0 f
v: vận tốc của máy di ộng (MS) c:
vận tốc truyền sóng f : tần số phát f 0R: tần số thu
• Tín hiệu a ƣờng từ các phƣơng khác nhau làm tăng ộ rộng băng tần tín
hiệu, gọi là trải phổ doppler • Chọn lọc tần số:
• Một số oạn phổ của tín hiệu qua kênh chọn lọc tần số bị ảnh hƣởng nhiều hơn
• Phadinh chọn lọc tần số
Giảng viên: Nguyễn Việt Hƣng 14
Bộ môn: Vô Tuyến – Khoa Viễn Thông 1 www.ptit.edu.vn TRUYỀN SÓNG & ANTEN
3.2 – Đặc tính của kênh vô tuyến di ộng • Miền tần số
• Điều biến tần số :
• Hiệu ứng Doppler => dịch tần số Doppler f d v v (3.6) f d fc os 0 .os fc os c c fR f0 f
v: vận tốc của máy di ộng (MS) c: vận tốc truyền sóng f0: tần số phát
Hình 3.5: measured Doppler
fR: tần số thu spread at 1800 MHz. Doppler spread = 60.3 Hz
• Tín hiệu a ƣờng từ các phƣơng khác nhau làm tăng ộ rộng băng tần tín hiệu,
gọi là trải phổ doppler • Chọn lọc tần số:
• Một số oạn phổ của tín hiệu qua kênh chọn lọc tần số bị ảnh hƣởng nhiều hơn
• Phadinh chọn lọc tần số
Giảng viên: Nguyễn Việt Hƣng 15
Bộ môn: Vô Tuyến – Khoa Viễn Thông 1 www.ptit.edu.vn TRUYỀN SÓNG & ANTEN
3.2 – Đặc tính của kênh vô tuyến di ộng • Miền thời gian
• Ảnh hƣởng của kênh vô tuyến thay ổi theo thời gian (phadinh chọn lọc thời gian)
• Ảnh hƣởng bởi a ƣờng => phân tán thời gian (tán thời hay trải trễ)
• Ảnh hƣởng nghiêm trọng ến các hệ thống tốc ộ cao.
• Biểu diễn tín hiệu thu: y t x( ). ( h t ) x t h t , (3.7)
x(t): tín hiệu phát τ: trễ a ƣờng
h(t- τ): áp ứng xung với trễ τ
Giảng viên: Nguyễn Việt Hƣng 16
Bộ môn: Vô Tuyến – Khoa Viễn Thông 1 www.ptit.edu.vn TRUYỀN SÓNG & ANTEN
3.2 – Đặc tính của kênh vô tuyến di ộng • Miền thời gian
• Trải trễ trung bình quân phƣơng, RDS (Root mean square Delay Spread) 2 2 (3.8) k P kk k (3.9) 2 k PP kk k2 (3.10) P
k P(τk): Công suất trung bình a ƣờngk với trễ τk
𝜏 : Trễ trội trung bình
𝜏2 : Moment bậc hai của lý lịch trễ công suất
• RDS biểu thị trễ so với ƣờng ến sớm nhất (LOS – Line of Sight)
• Đánh giá ảnh hƣởng của ISI (InterSymbol Interferrence)
Giảng viên: Nguyễn Việt Hƣng 17
Bộ môn: Vô Tuyến – Khoa Viễn Thông 1 www.ptit.edu.vn TRUYỀN SÓNG & ANTEN
3.2 – Đặc tính của kênh vô tuyến di ộng • Miền thời gian
• Trải trễ trung bình quân phƣơng, RDS (Root mean square Delay
Expected Power per Unit of time Total delay spread RMS delay spread Spread) Excess Delay Time
Hình 3.6: RMS delay spread
• Tránh ƣợc ISI khi chu kì tín hiệu dài hơn khoảng 10 lần RDS
• 0,2 μs nông thôn – 3 μs nội thị – 0,5 μs ngoại ô
Giảng viên: Nguyễn Việt Hƣng 18
Bộ môn: Vô Tuyến – Khoa Viễn Thông 1 www.ptit.edu.vn TRUYỀN SÓNG & ANTEN
3.2 – Đặc tính của kênh vô tuyến di ộng • Miền thời gian • Trễ trội cực ại:
• Trễ trội cực ại tại, X dB, là trễ thời gian mà ở ó năng lƣợng a ƣờng giảm X
dB so với năng lƣợng cực ại.
• Thời gian nhất quán TC (Coherence time):
• Là thời gian mà ở ó kênh có tƣơng quan rất mạnh ến tín hiệu thu
• TC: Xác ịnh ặc tính tĩnh của kênh, các tín hiệu truyền qua kênh chịu ảnh hƣởng của
phadinh nhƣ nhau (không phụ thuộc thời gian, kênh phadinh chậm)
Giảng viên: Nguyễn Việt Hƣng 19
Bộ môn: Vô Tuyến – Khoa Viễn Thông 1 www.ptit.edu.vn TRUYỀN SÓNG & ANTEN
3.2 – Đặc tính của kênh vô tuyến di ộng
• Quan hệ các thông số trong các miền khác nhau
• Băng thông nhất quán và trải trễ trung bình quân phƣơng
• Băng thông nhất quán, Coherence Bandwidth, Bc, là dải tần mà kênh có ặc tính tĩnh
theo tần số, tác ộng của kênh lên các thành phần phổ trong dải tần ều nhƣ nhau
• Với hàm tƣơng quan tần số (Frequency correlation function) là 0,5 1 BC,50 5 (3.11)
• Với hàm tƣơng quan tần số là 0,9 1 BC,90 (3.12) 50
• Thời gian nhất quán và trải Doppler C 1 fd v (3.13) T fd
Giảng viên: Nguyễn Việt Hƣng 20
Bộ môn: Vô Tuyến – Khoa Viễn Thông 1 www.ptit.edu.vn TRUYỀN SÓNG & ANTEN Nội dung
• 3.1 Đặc trƣng truyền sóng vô tuyến di ộng
• 3.2 Đặc tính kênh vô tuyến di ộng
• 3.3 Các loại phadinh phạm vi hẹp
• 3.4 Phân bố Rayleigh và Rice
• 3.5 Các mô hình kênh vô tuyến di ộng
• 3.6 Câu hỏi và bài tập
Giảng viên: Nguyễn Việt Hƣng 21
Bộ môn: Vô Tuyến – Khoa Viễn Thông 1 www.ptit.edu.vn TRUYỀN SÓNG & ANTEN
3.3 – Các loại phadinh phạm vi hẹp
• Phân loại phadinh phạm vi hẹp (Small-Scale fading)
• Dựa trên trải trễ a ƣờng (Multipath time delay spread)
• Là thông số miền thời gian, làm méo tín hiệu do trễ và gây phadinh chọn lọc tần số
(ảnh hƣởng lên ặc tính kênh miền tần số) • Phadinh phẳng
• Phadinh chọn lọc tần số
• Dựa trên trải Doppler (Doppler spread)
• Là thông số miền tần số, dẫn ến tán tần và phadinh chọn lọc thời gian (ảnh hƣởng
lên ặc tính kênh miền thời gian) • Phadinh chậm • Phadinh nhanh
• Phân loại phadinh ngoài phụ thuộc vào trễ a ƣờng và băng thông nhất quán còn phụ
thuộc và ặc iểm của tín hiệu bao gồm chu kì tín hiệu và ộ rộng băng tần tín hiệu
• Lựa chọn tín hiệu phù hợp sẽ cải thiện ƣợc hiệu năng truyền dẫn
Giảng viên: Nguyễn Việt Hƣng 22
Bộ môn: Vô Tuyến – Khoa Viễn Thông 1 www.ptit.edu.vn TRUYỀN SÓNG & ANTEN
3.3 – Các loại phadinh phạm vi hẹp
• Phân loại phadinh phạm vi hẹp (Small-Scale fading) Cơ sở phân loại Điều kiện Loại Phadinh B
s << BC | TS > 10στ Phadinh phẳng Trải trễ a ƣờng Bs > BC | TS < 10στ
Phadinh chọn lọc tần số T S > TC | BS < fd Phadinh nhanh Trải Doppler
TS << TC | BS >> fd Phadinh chậm
BS: Độ rộng băng tần tín hiệu BC:
Băng thông nhất quán f d: Trải
Doppler cực ại TS: Chu kì tín hiệu
στ : Trải trễ trung bình quân phƣơng
Giảng viên: Nguyễn Việt Hƣng 23
Bộ môn: Vô Tuyến – Khoa Viễn Thông 1 www.ptit.edu.vn TRUYỀN SÓNG & ANTEN Nội dung
• 3.1 Đặc trƣng truyền sóng vô tuyến di ộng
• 3.2 Đặc tính kênh vô tuyến di ộng
• 3.3 Các loại phadinh phạm vi hẹp
• 3.4 Phân bố Rayleigh và Rice
• 3.5 Các mô hình kênh vô tuyến di ộng
• 3.6 Câu hỏi và bài tập
Giảng viên: Nguyễn Việt Hƣng 24
Bộ môn: Vô Tuyến – Khoa Viễn Thông 1 www.ptit.edu.vn TRUYỀN SÓNG & ANTEN
3.4 – Các phân bố Rayleigh và Rice
• Đƣờng bao tín hiệu (signal envelope)
• Đƣờng nối iện áp ỉnh của các thành phần tín hiệu thu ƣợc
Hình 3.8: Đường bao tín hiệu
Giảng viên: Nguyễn Việt Hƣng 25
Bộ môn: Vô Tuyến – Khoa Viễn Thông 1 www.ptit.edu.vn TRUYỀN SÓNG & ANTEN
3.4 – Các phân bố Rayleigh và Rice
• Phân bố phadinh Rayleigh
• Là phân bố ƣờng bao a ƣờng một thành phần tín hiệu ơn lẻ
• Là phân bố ƣờng bao của tổng hai tín hiệu có phân bố Gauss vuông góc
• Hàm mật ộ xác suất, PDF r 2r 2 22 , 0 r (3.14) p r e 0, r 0
r: iện áp ƣờng bao tín hiệu thu
σ: Giá trị trung bình quân phƣơng của từng thành phần của tín hiệu thu σ2:
Công suất trung bình theo thời gian của tín hiệu thu
Giảng viên: Nguyễn Việt Hƣng 26
Bộ môn: Vô Tuyến – Khoa Viễn Thông 1 www.ptit.edu.vn TRUYỀN SÓNG & ANTEN
3.4 – Các phân bố Rayleigh và Rice
• Phân bố phadinh Rayleigh p
bố Rayleigh với các giá trị σ = 0.1 - 2 r Hình 3.9: Phân
• Giá trị trung bình của phân bố Rayleigh (3.15) [ ]= rtb E r 0 rp r dr( ) 2 1,253
• Phƣơng sai (thể hiện thành phần công suất xuay chiều trong ƣờng bao) r2 E r 2 E r 0 r p r dr2 22 2 2 2 0,4292 2 (3.16)
Giảng viên: Nguyễn Việt Hƣng 27
Bộ môn: Vô Tuyến – Khoa Viễn Thông 1 www.ptit.edu.vn TRUYỀN SÓNG & ANTEN
3.4 – Các phân bố Rayleigh và Rice • Phân bố phadinh Rice
• Là phân bố ƣờng bao phadinh phạm vi hẹp, nhận ƣợc khi tín hiệu thu có
thành phần ổn ịnh vƣợt trội (phần lớn nằm trong LoS)
• Các thành phần a ƣờng xếp chồng lên tín hiệu vƣợt trội
• Hàm mật ộ xác suất, PDF r2 A2 2 2 2 0 Ar2 0,r 0 (3.17) r e I , A p r( ) 0 r 0 1 ycost I0( )y e dt 2
A: biên ộ ỉnh của tín hiệu vƣợt trội
I0 : Hàm Bessel cải tiến loại một bậc không
Giảng viên: Nguyễn Việt Hƣng 28
Bộ môn: Vô Tuyến – Khoa Viễn Thông 1 www.ptit.edu.vn TRUYỀN SÓNG & ANTEN
3.4 – Các phân bố Rayleigh và Rice • Phân bố phadinh Rice
• Phân bố Rice thƣờng ƣợc mô tả bằng thừa số K K= = (3.18) 2
• A → 0, K → - ∞: Kênh suy thoái thành
kênh Rayleigh – Thành phần trực tiếp giảm cƣờng ộ
• A → ∞, K → ∞: Kênh tiến triển thành
kênh Gauss – Chỉ còn thành phần trực tiếp
Công suất trong đường vượt trội A2
Công suất trong đường tán xạ 2σ
Hình 3.10: So sánh các phân bố Rice, Rayleigh và Gauss
Giảng viên: Nguyễn Việt Hƣng 29
Bộ môn: Vô Tuyến – Khoa Viễn Thông 1 www.ptit.edu.vn TRUYỀN SÓNG & ANTEN Nội dung
• 3.1 Đặc trƣng truyền sóng vô tuyến di ộng
• 3.2 Đặc tính kênh vô tuyến di ộng
• 3.3 Các loại phadinh phạm vi hẹp
• 3.4 Phân bố Rayleigh và Rice
• 3.5 Các mô hình kênh vô tuyến di ộng
• 3.6 Câu hỏi và bài tập
Giảng viên: Nguyễn Việt Hƣng 30
Bộ môn: Vô Tuyến – Khoa Viễn Thông 1 www.ptit.edu.vn TRUYỀN SÓNG & ANTEN 3.5 – Mô hình kênh
• Mô hình kênh trong miền thời gian • Nguyên tắc:
• Kênh phadinh a ƣờng: ặc trƣng toán học bằng bộ lọc tuyến tính thay ổi theo thời gian (ƣờng trễ)
• Kênh ặc trƣng bằng áp ứng xung kim kênh L 1 h t l t ei l t l
t ,l 0,1....,L 1 (3.19) l 0
Với βl(t), θl(t), τl(t) biểu thị cho biên ộ, pha và trễ ối với xung thứ l (ường truyền l);
τ: Biểu thị cho trễ, t: biểu thị cho sự thay ổi theo thời gian của bản thân cấu
δ() biểu thị cho hàm Delta Dirac. L: tổng số ường truyền trúc xung kim
• Tín hiệu ầu ra tính bằng tích chập tín hiệu ầu vào kênh với áp ứng xung kim kênh y t x
h t, d x t h t , (3.20)
Giảng viên: Nguyễn Việt Hƣng 31
Bộ môn: Vô Tuyến – Khoa Viễn Thông 1 www.ptit.edu.vn TRUYỀN SÓNG & ANTEN 3.5 – Mô hình kênh
• Mô hình kênh trong miền thời gian h t L 1 l t ei l t l
t ,l 0,1....,L 1 l 0 y t
x h t, d x t h t ,
Hình 3.11: Mô hình kênh vô tuyến di ộng bằng ường trễ a nhánh
Giảng viên: Nguyễn Việt Hƣng 32
Bộ môn: Vô Tuyến – Khoa Viễn Thông 1 www.ptit.edu.vn TRUYỀN SÓNG & ANTEN