Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
Khoa Điện tử Viễn thông
2/17/2014
Thông tin di động
Mobile Communications
TS. Đỗ Trọng Tuấn Bộ môn Kỹ thuật thông tin
Hà Nội, 8-2010
1
2/17/2014
Truyền
sóng trong
thông tin
di động
2
2/17/2014
Khái niệm kênh vô tuyến
Các thuật ngữ tiếng Anh • Mobile Radio Channel • Wireless Channel • Radio Frequency Channel - RFC
Fc: tần số trung tâm
∆f: Độ rộng kênh tần số
3
Các phương thức truyền tin song công giữa MS và BS
• Phân chia theo tần số
FDD: Frequency Division Duplex
• Phân chia theo thời gian TDD: Time Division Duplex
2/17/2014
4
Truyền song công phân chia theo tần số - FDD
• FDD: Frequency Division Duplex
Forward Channel
Base Station B
Reverse Channel
Mobile Station M
Hướng xuống: Downlink ~ Hướng thuận:Forward Channel
Hướng lên: Uplink ~ hướng ngược : Reverse Channel
Phương thức FDD sử dụng kênh tần số ở hai băng tần khác nhau để mang thông tin theo hai hướng.
2/17/2014
5
Truyền song công phân chia theo thời gian - TDD
• TDD: Time Division Duplex
2/17/2014
M B M B M B
Base Station B
Mobile Station M
Phương thức TDD sử dụng cùng một kênh tần số để mang
thông tin theo hai hướng tại các khe thời gian luân phiên.
6
2/17/2014
Băng tần của hệ thống • Mỗi hệ thống thông tin di động được cấp phát một hoặc nhiều băng tần xác định.
• Trong mỗi băng tần, các kênh vô tuyến của
hệ thống sẽ được ấn định.
Ví dụ: Băng tần GSM 900 được cấp phát là
- UL: 890 MHz – 915 MHz
- DL: 935 MHz – 960 MHz
* Hệ thống GSM sử dụng phương thức truyền song
công nào ?
7
Bước sóng của một số dải tần
• GSM 900:
– Tần số ~= 900 Mhz Bước sóng ~= 33.3 cm
• DCS 1800
– Tần số ~= 1.8 Ghz
Bước sóng ~= 16.7 cm
• PCS 1900
– Tần số ~= 1.9 Ghz
Bước sóng ~= 15.7 cm
• Wi-fi, Bluetooth:
– Tần số ~= 2.4Gz
Bước sóng ~= 12.5cm
2/17/2014
8
Quy định cấp phát kênh trong hệ thống GSM
2/17/2014
ARFCN
Channels Assignment
9
Quy định cấp phát kênh trong hệ thống GSM
2/17/2014
10
Môi trường truyền sóng
2/17/2014
C
A
D
MS
B
Receiver
Transmitter
BTS
A: truyền thẳng - free space B: phản xạ - reflection C: khúc xạ - diffraction D: tán xạ - scattering
reflection: đối tượng phản xạ có kích thước >> bước sóng
scattering: đối tượng phản xạ có kích thước nhỏ hoặc bề mặt gồ ghề
11
Đặc tính truyền sóng - Propagation Characteristics
Pr/Pt
Slow
Fast
Very slow
d=vt
Pt
Pr
v
d=vt
2/17/2014
12
2/17/2014
Pha đinh - Fading
13
2/17/2014
Pha đinh - Fading
Là hiện tượng tín hiệu thay đổi ngẫu nhiên về cường độ
hoặc pha hoặc cả hai tại điểm thu theo thời gian.
Pha đinh xảy ra do sự dịch chuyển tương đối tại một
khoảng cách xác định gây nên sự biến đổi đường truyền
giữa trạm gốc BS và trạm di động MS
14
2/17/2014
Fading
Fading is caused by movement over distance to produce
variations in the overall path between the BS and MS. In a
received signal, the time variation of the amplitude or the
relative phase, or both, of one or more of the frequency
components of the signal is known as fading.
Fading is caused by changes in the characteristics of the
propagation path with time
15
Đáp ứng xung của kênh truyền vô tuyến - CIR
CIR : Channel Impulse Response
2/17/2014
16
Giản đồ hệ số công suất trễ - truyền đa đường
power delay profile
2/17/2014
17
Đáp ứng xung của kênh truyền vô tuyến phụ thuộc theo thời gian
Time-variant Channel
h(,t)
2/17/2014
18
Đáp ứng xung của kênh truyền vô tuyến không phụ thuộc theo thời gian
Time-variant Channel
delay spread Tm
h()
time t
zero excess delay
delay
CIR : Channel Impulse Response
2/17/2014
19
2/17/2014
20
Các tham số trải thời gian Timer Dispersion Parameters
Được xác định từ giản đồ số liệu trễ - công suất ( power delay profile)
Mean excess delay( ):
)
)( ( P k k
2 a k k
k
k
Trễ tuyến truyền trung bình
)
( P k
2 a k
k
k
2
2
Rms delay spread Trải trễ tuyến truyền RMS
)
2 ( P )( k k
k
k
2
)
( P k
2 a k
2/17/2014
22 a k k
k
k
21
Các tham số trải thời gian Timer Dispersion Parameters
Trễ tuyến truyền tối đa tại mức suy hao X dB
x
Maximum Excess Delay (X dB)
được định nghĩa là giá trị thời gian trễ tuyến truyền mà sau đó công suất thu
x nhỏ hơn X dB so với công suất của tuyến truyền lớn nhất.
- Tuyến truyền có công suất lớn nhất không nhất thiết phải là truyền truyền đầu tiến
đến máy thu.
- Trải trễ tuyến truyền là khoảng thời gian chênh lệch giữa trễ tuyến truyền
x
và trễ tuyến truyền đầu tiên
0
- Excess Delay Spread =
0 x
2/17/2014
22
2/17/2014
23
Băng thông tương hỗ Bc
và thời đoạn tương hỗ Tc
1. Băng thông tương hỗ - Coherence Bandwidth
- Là bề rộng độ ổn định về mặt tần số của kênh vô tuyến
)
(
Hz
)
( f
Hoặc
B c
c
CB
1
max
1 5
2. Thời đoạn tương hỗ - Coherence Duration
-
Là bề rộng độ ổn định về mặt thời gian của kênh vô tuyến
1
)
s )(
( t
T c
c
2
f
D
,
max
2/17/2014
24
Mối quan hệ giữa băng thông tương hỗ Bc và băng thông tín hiệu truyền Bs
Fading chọn lọc tần số - Freq. Selective Fading
Tx BW >> Channel BW Bs >> Bc
Bs
y t i s n e d l a r t c e p S
Freq.
Bc
Fading không chọn lọc tần số - Freq. Flat Fading
Bs
Tx BW << Channel BW Bs << Bc
y t i s n e d l a r t c e p S
Freq.
Coherent BW, Bs
2/17/2014
25
Mối quan hệ giữa thời đoạn tương hỗ Tc và độ rộng bít tín hiệu Ts
Fading biến đổi nhanh - Fast Fading
e d u t i l
m a
Ts >> Tc
Ts
Time
Tc
Fading biến đổi chậm - Slow Fading
e d u
t i l
Ts << Tc
p m a
Ts
Time
Coherent Duration, Ts
2/17/2014
26
Phân loại fading phạm vi hẹp
Kênh băng hẹp
Kênh băng rộng
2/17/2014
Small-scale Fading (Based on Multipath Tİme Delay Spread)
NarrowBand channel
WideBand channel
Flat Fading
Frequency Selective Fading
1. BW Signal < BW of Channel 2. Delay Spread < Symbol Period
1. BW Signal > Bw of Channel 2. Delay Spread > Symbol Period
Small-scale Fading (Based on Doppler Spread)
Slow Fading
Fast Fading
1. Low Doppler Spread 2. Coherence Time > Symbol Period 3. Channel variations smaller than baseband
1. High Doppler Spread 2. Coherence Time < Symbol Period 3. Channel variations faster than baseband
signal variations
signal variations
27
2/17/2014
Ví dụ 4.1
28
2/17/2014
Ví dụ 4.1
29
Đặc tính truyền sóng - Propagation Characteristics
• Pha đinh phạm vi rộng ( Large-scale Fading )
– Suy hao đường truyền - Path Loss
– Che khuất - Shadowing (due to obstructions)
• Pha đinh phạm vi hẹp ( Small-scale Fading )
– Pha đinh nhiều đường - Multipath Fading
2/17/2014
30
2/17/2014
Pha đinh - Fading
• Pha đinh phạm vi hẹp ( Small-scale Fading )
• Pha đinh nhanh ( Fast Fading) - Pha đinh chậm ( Slow Fading)
gây nên do hiệu ứng Doppler ( frequency dispersion )
• Pha đinh không lựa chọn tần số ( Flat Fading) - Pha đinh lựa chọn
tần số ( Frequency Selective Fading ), gây nên do hiện tượng trễ tín
hiệu ( time dispersion - delay spread ).
• Pha đinh Rayleigh ( không tồn tại đường truyền LOS ) - Pha đinh
Rician ( tín hiệu thu bao hàm cả đường truyền LOS)
31
2/17/2014
Pha đinh phạm vi rộng
Các thuật ngữ tiếng Anh
* Large-scale Fading
* Long-term Fading
•
- Cường độ tín hiệu thu trung bình cục bộ giảm dần khi MS di chuyển
ra xa trạm gốc BS gây nên do suy hao đường truyền.
•
- Công suất thu trung bình cục bộ được tính toán thông qua việc xác
định mức trung bình tín hiệu đo đạc sau một khoảng cách di chuyển
từ 5λ đến 40λ (GSM: 1,2 m ÷ 12 m).
•
- Các mô hình tính toán suy hao đường truyền (large-scale
propagation models) cho phép ước đoán cường độ tín hiệu trung
bình giữa BS và MS tại một khoảng cách xác định. Các mô hình này
có ý nghĩa trong việc tính toán thiết kế và quy hoạch vùng phủ sóng.
32
2/17/2014
Pha đinh phạm vi hẹp
Các thuật ngữ tiếng Anh
* Small-scale Fading
* Short-term Fading
•
- Cường độ tín hiệu thu dao động nhanh khi MS dịch chuyển một
khoảng cách nhỏ.
•
- Nguyên nhân gây pha đinh nhanh là do tín hiệu thu là tổng hợp của
nhiều thành phần đền từ nhiều hướng khác nhau với cường độ, pha
hoặc tần số khác nhau, ngẫu nhiên theo thời gian.
•
- Với pha đinh nhanh, công suất tín hiệu thu có thể biến thiên từ 30
dB đến 40 dB khi MS dịch chuyển một khoảng λ/n (a fraction of the
wavelength).
33
Radio Propagation
scattering
diffraction
refraction
shadow fading
reflection
2/17/2014
34
2/17/2014
35
Wireless Channel
Path loss Shadowing
Co-channel interference
Multipath Propagation
• Path loss and shadowing • Multipath Fading (Self interference) • Noise (SNR) • Other users
• Co-channel interference ( CCI ) • Adjacent-channel interference ( ACI )
2/17/2014
36
Mô hình không gian tự do
Free Space (LOS) Model
PBTS
BTS
d
MS
L(dB) = 32,5 + 20 log f (MHz) + 20 log d (km)
2/17/2014
37
2/17/2014
Ví dụ 1.
Trong 1 cell, 1 MS đang liên lạc với BTS tại tần số
936 MHz. Hãy cho biết:
a. Suy hao đường truyền khi MS cách BTS 3 km.
b. Giả sử công suất BTS đang phát sóng là 20 W,
hãy cho biết MS có liên lạc được với BTS đó
không khi độ nhạy máy thu là -102 dBm ?
38
Mô hình truyền dẫn vô tuyến tổng quát
Tổng quát, cường độ tín hiệu nhận được qua môi
trường vô tuyến sẽ tỷ lệ với d-n
n
2/17/2014
L d ( )
d
Trong đó:
n : hệ số suy hao đường truyền
n = 2 ~ 8 ( phụ thuộc môi trường truyền dẫn)
n = 4 thường được thiết lập khi nghiên cứu các hệ
thống thông tin di động tế bào.
39
Mô hình truyền dẫn vô tuyến tổng quát
(
( ) L d
nd ) d
0
(
(
)
) 10 lg( n
) L dB L d
0
d d
0
Trong đó: d0 = khoảng cách tham chiếu
- Macro cell -> d0 = 1 km
- Micro cell -> d0 = 100 m hoặc 1m
2/17/2014
40
Path Loss Exponent for Different Environments
2/17/2014
Environment
Path Loss Exponent, n
Free space
2
Urban area cellular radio
2.7 to 3.5
Shadowed urban cellular radio
3 to 5
In building line-of-sight
1.6 to 1.8
Obstructed in building
4 to 6
Obstructed in factories
2 to 3
41
Path Loss Exponent for Different Environments
2/17/2014
Environment
Path Loss Exponent, n
Free space
2
Urban area cellular radio
2.7 to 3.5
Shadowed urban cellular radio
3 to 5
In building line-of-sight
1.6 to 1.8
Obstructed in building
4 to 6
Obstructed in factories
2 to 3
42
Mô hình hai đường
Two ray or PLANE-EARTH Model
PBTS
LOS
hb
hm
Ground
BTS
MS
d
2
L
20 log(
)
d h h b m
2/17/2014
43
Ví dụ 2
Hãy thực hiện lại ví dụ 1 khi độ cao anten BTS là
30 mét và độ cao trung bình của anten MS là 1,5 mét.
a. Suy hao đường truyền khi MS cách BTS 3 km ?
b. Giả sử công suất BTS đang phát sóng là 20 W, hãy
cho biết MS có liên lạc được với BTS đó không khi
độ nhạy máy thu là -102 dBm ?
2/17/2014
44
2/17/2014
Mô hình thống kê Hata
PBTS
hb
hm
BTS
MS
d
Nội thành
Ngoại ô
Vị trí phú sóng của BTS:
Nông thôn
45
HATA MODEL
Tần số làm việc
f: 150 – 1500 MHz
Độ cao anten của BS hb: 30 – 200 m
Độ cao anten của MS hm: 1 – 10 m
Khỏang cách giữa MS và BS d: 1 – 20 km
- urban => nội thành - Lp(urb) - suburban => ngoại ô - Lp(sub) - open country => nông thôn – Lp(open)
2/17/2014
46
Mô hình HATA
Tại vùng đô thị - URBAN
Lp (urb) = 69.55 + 26.16 * log( f ) - 13.82*log( hb ) - a( hm ) +
( 44.9 - 6.55 * log( hb )) * log( d ) [dB]
a(hm):Hệ số hiệu chỉnh độ cao anten MS. - Diện tích thành phố nhỏ hoặc trung bình:
a(hm) = (1.1*log f - 0.7)hm - (1.56*log f - 0.8) [dB]
- Diện tích thành phố lớn:
khi 200 < f <= 1500 [MHz]
a(hm) = 8.29 (log1.54hm)2 - 1.1 [dB]khi 150 <= f <= 200 [MHz] a(hm) = 3.2 (log11.75hm)2 - 4.97 [dB]
Tại vùng ngoại ô - SUBURBAN: Lp(sub) = Lp(urb) - 2 *( log(f/28))2 - 5.4
[dB]
Tại vùng nông thôn - RURAL (OPEN AREAS):
Lp(open) = Lp(urb) - 4.78 *(log(f))2 + 18.33*log(f) - 40.94 [dB]
2/17/2014
47
2/17/2014
Ví dụ 3 Giả sử tại một cell ở vùng ngoại ô, trạm gốc BS có độ
cao 50 mét. Một trạm di động MS có độ cao anten trung
bình là 1,5 mét, đang liên lạc với trạm gốc tại tần số 936
MHz. Hãy xác định:
a. Suy hao đường truyền khi MS cách BTS 3 km ?
b. Giả sử công suất BTS đang phát sóng là 20 W, hãy
cho biết MS có liên lạc được với BTS đó không khi độ
nhạy máy thu là -102 dBm ?
48
Mô hình COST 231
Tần số làm việc f : 1500 - 2000 MHz
Độ cao anten trạm gốc hb: 30 - 200 m
Độ cao anten MS trung bình hm: 1 - 10 m
Khoảng cách giữa MS và BS d: 1 - 20 km
2/17/2014
49
COST 231 - HATA MODEL
Lp(urb) = 46.3 + 33.9*log(f) - 13.82*log(hb) - a(hm)
+ [44.9 – 6.55*log(hb)]*log(d) + Cm (dB)
với:
a(hm) tương tự như mô hình HATA
Tại thành phố cỡ trung bình hoặc trung tâm ngoại ô
Cm = 0 dB
Tại trung tâm đô thị, thủ đô ( metropolitan areas)
Cm = 3 dB
2/17/2014
50
COST-231-Walfisch-lkegami Model
The Okumura-Hata model is not suitable for micro cells or small macro cells, due to its restrictions on distance (d > 1 km).
The COST 231-Walfish-Ikegami model covers much smaller distances, is better suited for calculations on small cells and covers the 1800 MHz band as well.
0.02 – 5 km
Frequency 800 – 2000 MHz Distance Mobile station height 1 – 3 m Base station height 4 – 50 m
2/17/2014
51
Khoảng cách chân trời - Radio Horizon
0.5) (km)
Dhrz = 4.12 (hb
0.5 + hm
hb
hm
BTS
MS
hb = height a.s.l of BTS’s antenna in metres
hm = height a.s.l of MS’s antenna in metres
a.s.l = above sea level
2/17/2014
52
Suy hao do nhiễu xạ - Diffraction loss
Mô hình nhiễu xạ đơn
(single) knife edge diffraction
2/17/2014
53
Suy hao do nhiễu xạ - Diffraction loss
h m
1 d
1 d
T
R
2
Trong đó:
dT và dR là khoảng cách từ điểm phát, thu đến điểm nhiễu xạ
Suy hao do nhiễu xạ được tổng hợp với suy hao không gian tự
do theo đơn vị dB được tính xấp xỉ như sau:
0
0
1.27
0
2.4
2
diffA
2.4
10
6 9 13 log
2/17/2014
54
2/17/2014
Suy hao đường truyền
55
Suy hao đường truyền
• Mô hìnhd suy hao đường truyền phụ thuộc vào vị trí của anten thu. Ví dụ, 5
vị trí thu trong hình trên được thể hiện như sau:
• Vị trí 1, suy hao không gian tự do cho phép ước đoán chính xác suy hao
đường truyền.
• Ví trí 2, tồn tại đường truyền tín hiệu chủ yếu LOS, tuy nhiên tín hiệu phản xạ từ mặt đất cũng ảnh hưởng đáng kể đến suy hao đường truyền. trong trường hợp này, mô hình tính toán suy hao 2 đường ( Plane Earth Model ) được sử dụng là thích hợp.
• Vị trí 3, suy hao hai đường cần được hiệu chỉnh do ảnh hưởng của nhiễu xạ
gây nên bởi đám cây nằm giữa đường truyền LOS.
• Ví trí 4, mô hình nhiễu xạ đơn được sử dụng cho phép ước đoán chính xác
suy hao đường truyền.
• Ví trí 5, việc ước đoán suy hao đường truyền khá khó khăn và khó tin cậy
do liên quan đến nhiễu xạ nhiều chặng.
2/17/2014
56
Example of Path Loss (Free-space)
Path Loss in Free-space
130
)
fc=150MHz
120
B d (
fc=200MHz
f
110
L
fc=400MHz
100
fc=800MHz
s s o L
90
h
fc=1000MHz
t
80
a P
fc=1500MHz
70
0
5
10
15
20
25
30
Distance d (km)
2/17/2014
57
Example of Path Loss (Urban Area: Large City)
Path Loss in Urban Area in Large City
180
fc=200MHz
)
170
fc=400MHz
160
fc=800MHz
B d (
fc=1000MHz
150
u p L
fc=1500MHz
140
fc=150MHz
130
s s o L
h
t
120
a P
110
100
0
10
20
30
Distance d (km)
2/17/2014
58
Example of Path Loss (Urban Area: Medium and Small Cities)
Path Loss in Urban Area for Small & Medium Cities
180
)
170
fc=150MHz
160
fc=200MHz
150
fc=400MHz
140
fc=800MHz
130
fc=1000MHz
120
fc=1500MHz
B d ( u p L s s o L h t a P
110
100
0
10
20
30
Distance d (km)
2/17/2014
59
Example of Path Loss (Suburban Area)
Path Loss in Suburban Area
170
)
160
fc=150MHz
150
fc=200MHz
140
fc=400MHz
130
fc=800MHz
120
fc=1000MHz
110
fc=1500MHz
B d ( s p L s s o L h t a P
100
90
0
5
10
15
20
25
30
Distance d (km)
2/17/2014
60
Example of Path Loss (Open Area)
Path Loss in Open Area
150
)
140
fc=150MHz
B d (
130
fc=200MHz
o p L
120
fc=400MHz
fc=800MHz
110
s s o L
fc=1000MHz
100
h
t
fc=1500MHz
a P
90
80
0
5
10
15
20
25
30
Distance d (km)
2/17/2014
61
Mô hình truyền dẫn trong nhà
• Mô hình suy hao đường truyền khoảng cách theo hàm mũ
2/17/2014
( Log-Distance Path Loss Model )
Truyền tín hiệu trong môi trường indoor tuân theo quy luật công suất –
khoảng cách như sau:
PL(dB) = PL (do) + 10 n log (d/do) + X
Trong đó:
- n phụ thuộc vào loại tòa nhà và sự bố trí
- X là biến ngẫu nhiên có biến động chuẩn là [dB].
( biến động chuẩn : standard deviation )
* Tham chiếu n, X theo bảng ở slide kế tiếp. . .
62
Mô hình truyền dẫn trong nhà
2/17/2014
63
2/17/2014
Che khuất - Shadowing
Shadowing ~ shadow fading
Tín hiệu nhận được dao động quanh một giá trị trung bình với một
khoảng biến thiên nhất định.
Gây nên do tín hiệu vô tuyến bị chặn bới các tòa nhà (outdoor), hoặc
các bức tường (indoor), hay các vật chắn khác.
Pha đinh chậm - Large time-scale variation
64
2/17/2014
Che khuất - Shadowing X L d ( )
dB
]
[
L d ( ) p
)
X
[
dB
]
L d ( )
L d (
) 10 log( n
0
d d
0
Fading che khuất – biến đổi ngẫu nhiên theo phân bố
X
[
dB
]
Gaussian ( phân bố chuẩn ) với giá trị trung bình bằng
không và độ lệch chuẩn là s [dB]
Log Normal Shadowing Log Normal Shadowing
Xsigma is a zero-mean Gaussian (normal) distributed random variable (in
dB) with standard deviation s (also in dB).
65
2/17/2014
Che khuất - Shadowing
66
2/17/2014
Mobile Radio Propagation
[a] Anther Exhibition of Shadowing Effect [b] Marine Environment Showing Shadowing and Multi-path
[a]
[b]
67
