Bài 9 TS Nguyễn Phạm Anh Dũng 397 Chương 9 ĐỊNH CỠ MẠNG TRUY NHẬP VÔ TUYẾN 9 1 GIỚI THIỆU CHUNG 9 1 1 Các chủ đề được trình bầy trong chương Tổn hao đường truyền và che tối Khái niệm hệ thống tổ o[.]
TS Nguyễn Phạm Anh Dũng Chương ĐỊNH CỠ MẠNG TRUY NHẬP VÔ TUYẾN 9.1 GIỚI THIỆU CHUNG 9.1.1 Các chủ đề trình bầy chương Tổn hao đường truyền che tối Khái niệm hệ thống tổ ong Các mơ hình tổn hao truyền sóng Tính tóan suy hao cho phép cực đại Tính tốn định cỡ 9.1.2 Hướng dẫn Học kỹ tư liệu đựơc trình bầy chương Tham khảo thêm tài liệu [38], [39], [46] 9.1.1 Mục đích chương Nhằm cung cấp kiến thưc tổng quan về: Định cỡ ô thông tin di động 9.2 MỞ ĐẦU Định cỡ cung cấp ước tính nhanh cho việc lập cấu hình mạng vơ tuyến dự kiến Định cỡ phận trình quy hoạch tổng thể, quy hoạch tổng thể bao gồm quy hoạch chi tiết tối ưu mạng tổ ong khơng dây Nói hoạch trình lặp bao gồm thiết kế, tổng hợp thực Mục đích tồn bơ hoạt động thiết kế mạng tổ ong không dây đáp ứng yêu cầu khách hàng Có thể thay đổi trình để phù hợp với nhu cầu mang tổ ong không dây Đây trình quan trọng triển khai mạng Định cỡ dựa tập thông số đầu vào kết nhận liên quan đến tập thông số đầu vào Các thông số bao gồm vùng xét, lưu lượng kỳ vọng QoS yêu cầu Định cỡ cung cấp ước tính yêu cầu hạ tầng mạng Định cỡ thực với hỗ trợ công cụ định cỡ cho mạng truy nhập mạng lõi Định cỡ mạng tổ ong không dây trực tiếp liên quan đến chất lượng hiệu suất mạng ảnh hưởng sâu sắc đến triển khai mạng Định cỡ mạng không dây tổ ong bao gồm bước sau: 397 TS Nguyễn Phạm Anh Dũng Phân tích số liệu/lưu lượng Ước tính vùng phủ Ước tính lưu lượng Định cỡ truyền tải Tập đầu vào yếu tố quan trọng cho định cỡ để đạt kết xác Định cỡ mạng vơ tuyến tổ ong địi hỏi số phần tử số liệu sở Các thông số bao gồm số thuê bao, phân bố lưu lượng, vùng địa lý cần phủ sóng, băng tần, băng thơng cấp, u cầu phủ sóng dung lượng Cần chọn mơ hình truyền sóng, băng tần cần có thê thay đổi mơ hình Điều cần thiết cho ước tính vùng phủ sóng Các thơng số hệ thống cơng suất phát, hệ số khuếch đại anten, ước tính tổn hao, kiểu anten sử dụng … phải biết trước bắt đầu định cỡ mạng không dây tổ ong Mỗi mạng khơng dây có thơng số riêng Phân tích lưu lượng cho phép ước tính lưu lượng mà mạng cần truyền tải Các kiểu lưu lượng khác mà mạng truyền tải cần mơ hình hóa Các kiểu lưu lượng gồm thoại, VoIP, lưu lượng PS hay CS Chi phí bổ sung cho kiểu lưu lượng cần tính đưa vào mơ hình Thời gian khối lượng lưu lượng cần dự báo để đánh giá hiệu mạng xác định liệu mang có thực u cầu đề Ước tính phủ sóng sử dụng để xác định vùng phủ sóng BTS Ước tính phủ sóng tính tốn diện tích mà máy thu người sử dụng ‘nghe’ tín hiệu từ BTS Nó cung cấp diện tích cực đại mà BTS phủ sóng Nhưng không thiết phải kết nối chấp nhận (thọai chẳng hạn) BTS MS Tuy nhiên máy thu MS phát BTS vùng phủ sóng Quy hoạch phủ sóng bao gồm phân tích quỹ đường truyền vơ tuyến (RLB: Radio Link Budget) vùng phủ RLB tính tốn cơng suất thu máy thu cho trước công suất phát RLB bao gồm tất độ lợi tổn hao đường truyền từ máy phát đến máy thu Dựa tính tốn RLB ta tổn hao truyền sóng cực đại cho phép Tổn hao đường truyền chuyển vào khoảng cách cách sử dụng mô hình truyền sóng thích hợp Khoảng cách hay bán kính sử dụng để tính tốn số site cần thiết để phủ tồn diện tích nhận từ ước tính vùng phủ sóng Quy hoạch dung lượng xét đến khả mạng cung cấp dịch vụ cho người sử dụng với mức chất lượng dịch vụ u cầu Sau tính tốn diện tích phủ sóng site, sử dụng ước tính ước tính để phân tích vấn đề liên quan đến dung lượng Quá trình bao gồm chọn site cấu hình hệ thống chẳng hạn kênh, phần tử kênh đoạn ô Các phần tử khác hệ thống Cấu hình chọn để đáp ứng yêu cầu lưu lượng Trong số hệ thống không dây tổ ong, phủ sóng dung lượng liên quan đến nhau.Trong trường hợp này, số liệu phân bố thuê bao dự báo phát triển thuê bao có tầm quan trọng lớn Nhóm chuyên viên định cỡ phải đưa ước tính số lượng trạm cần để đảm bảo lưu lượng dự kiến vùng phủ 398 TS Nguyễn Phạm Anh Dũng Sau xác định số trạm dựa dự báo lưu lượng, cần định cỡ giao diện mạng Số lượng giao diện thay đổi từ vài giao diện nhiều giao diện Mục đích bước thực ấn định lưu lương để tránh tạo nút cổ chai mạng Cần đảm bảo tất yêu cầu chất lượng dịch vụ giảm thiểu giá thành Định cỡ tốt giao diện quan trọng để hiệu mạng 9.3 CÁC MÔ HÌNH TỔN TRUYỀN SĨNG THỰC NGHIỆM CƠ SỞ Trong phần ta xét mơ hình tổn hao truyền sóng sử dụng rộng rãi Các mơ hình phương tiện điển hình để tính tốn tổn hao truyền sóng sở Mơ hình tổn hao khơng gian từ mơ hình đơn giản nhất, ta có quan hệ tỏn hao đường truyền, tần số cự ly phủ sóng sau: PLSF=32,45+20lg(f)+20lg(d) (9.1) Trong PLSF tổn hao đường truyền khơng gian tự đo dB, f tần số sóng mang đo MHz d cự ly phủ sóng đo km Từ phương trình (9.1) ta tính đựơc cự ly phủ sóng sau: dSF 10 PLSF 32,45 20lg f /20 (9.2) Trong thực tế suy hao truyền sóng thường tính theo mơ hình kinh nghiệm ma ta xét Tồn bốn mơ hình tổn hao đường truyền (gọi tắt Hata): Hở, Ngoại ô, Thành phố nhỏ thành phố lớn 9.3.1 Mơ hình truyền sóng Okumura-Hata Hầu hết cơng cụ truyền sóng sử dụng dạng biến đổi mơ hình Okumura-Hata (thườn tắt Hata mơ hình Hata phát triển từ mơ hình Okumura) Mơ hình Hata quan hệ thực nghiệm rút từ báo cáo kỹ thuật Okumura cho phép sử dụng kết vào cơng cụ tính tốn Báo cáo Okumura bao gồm chuỗi lưu đồ sử dụng để lập mơ hình thơng tin vơ tuyến Mơ hình sử dụng dải tần từ 500MHz đến 2000 MHz (có thể áp dụng cho 2500 MHz) Dưới biểu thức sử dụng mơ hình Hata để xác định tổn hao truyền sóng trung bình (ký hiệu Lp) 399 TS Nguyễn Phạm Anh Dũng Vùng thành phố: Lp = 69,55+26,16lgfc-13,82lghb-a(hm)+(44,9-6,55lghb)lgd -K [dB] (9.3) f = tần số sóng mang (MHz) Lp = tổn hao trung bình (dB) hb = độ cao anten trạm gốc (m) a(hm) = hệ số hiệu chỉnh cho độ cao anten di động (dB) d = khoảng cách từ trạm gốc (km) Dải thông số sử dụng cho mơ hình Hata là: 150 f < 1500 MHz 30 hb 200m hm 10m R 20 km a(hm) tính sau: Đối với thành phố nhỏ trung bình: a(hm) [dB] = (1,1lgf - 0,7)hm - (1,56lgfc-0,8), K=0 Đối với thành phố lớn: a(hm) [dB]= 8,29(lg1,54hm)2 -1,1, K=0 fc 200MHz hay a(hm) [dB]= 3,2(lg11,75hm)2 - 4,97, K=0 fc 400MHz Vùng ngoại ô: Lp [dB]= LP(thành phố nhỏ) - 2[lg(f/28)]2-5,4 Vùng nơng thơn (thơng thống): Lp [dB]= Lp(thành phố nhỏ ) - 4,78(lgf)2+18,33(lgf)-40,49 (9.4) (9.5) (9.6) (9.7) (9.8) Phương trình (9.1) áp dụng cho môi trường khác tổng kết bảng 9.1 Bảng 9.1 Mơ hình truyền sóng Okumura-Hata cho điều kiện truyền sóng khác Kiểu vùng Nơng thơn Ngoại ô Thành phố nhỏ Thành phố lớn a(hm) [1,1lg(f)-0,7]hm - [1,56lg(f)-0,8] 3,2[lg(11,75hm)]2-4,97 K 4,78[lg(f)]2 -18,33lg(f) + 40,94 2[lg(f/28)]2+5,4 0 400 TS Nguyễn Phạm Anh Dũng Mơ hình Hata khơng xét đến hiệu chỉnh cho đường truyền cụ thể sử dụng mơ hình Okumara Mơ hình Okumara có khuynh hướng trung bình hố số trình trạng cực điểm không đáp ứng nhanh thay đổi nhanh mặt cắt đường truyền vô tuyến Thể phụ thuộc vào khoảng cách mơ hình Okumura phù hợp với giá trị đo Các phép đo Okumura cho kiểu nhà Tokyo Kinh nghiệm đo đạc tương tự Mỹ cho thấy tình trạng ngoại điển hình Mỹ thường vị trí vùng nơng thơn vùng thành thị Định nghĩa Okumura có tính thể tốt vùng gia đình thành phố với nhóm nhà xếp thành hàng Mơ hình Okumura yêu cầu thực đánh giá thiết kế lớn, đặc biệt chọn lựa yếu tố mơi trường phù hợp Cần có liệu để có khả dự đốn nhân tố mơi trường sở tính chất vật lý tồ nhà xung quanh máy thu di động Ngoài nhân tố môi trường phù hợp, cần thực hiệu chỉnh theo đường truyền cụ thể để biến đổi dự đốn tổn hao đường truyền trung bình Okumura dự đoán cho đường truyền cụ thể khảo sát Các kỹ thuật Okumura để hiệu chỉnh mặt đất bất thường đặc điểm khác đường truyền cụ thể đòi hỏi diễn giải thiết kế khơng phù hợp cho việc sử dụng máy tính Đối với PCS (Personal Communication System: hệ thống thông tin cá nhân) làm việc tần số 1500-2000 MHz, LP sử dụng ô micro (tầm phủ 0,5-1 km) tính theo mơ hình COST 231 Hata anten cao nhà sau: Lp = 46,3 + 33,9lgfc -13,82lghb-a(hm) + (44,9-6,55lghb)lgd + cm [dB] (9.9) đó: f, hb, hm, a(hm) R giống cm = cho thành phố trung bình trung tâm ngoại ô, 3dB cho trung tâm thành phố Công thức không áp dụng hb h nhà Tồn số điểm yếu mơ hình thực nghiệm bán thực nghiệm nghiên cứu truyền sóng mơi trường vi mô Nếu chiều cao anten BTS thấp mái nhà tịa nhà xung quanh, tính chất truyền sóng thay đổi Khơng thể phân tích tình trạng phương pháp thống kê tịa nhà q lớn so với kích thước khơng thể bỏ qua tính chất điạ lý xác tịa nhà mơ hình vĩ mơ 9.3.2 Mơ hình truyền sóng Walsfisch-Ikegami Mơ hình Walsfisch-Ikagami xây dựng với giả thiết sóng điện từ truyền máy nhà chịu ảnh hưởng nhiều nhiễu xạ Các tòa nhà máy phát 401 TS Nguyễn Phạm Anh Dũng máy thu xếp thành hàng đóng vai trị tầng nửa chắn nhiễu xạ có độ cao (hình 9.1) Tại đầu cuối di động trường thu bao gồm hai tia hình 9.1: (1) tia nhiễu xạ trực tiếp (2) tia phản xạ nhiễu xạ Công suất hai thành phần cộng với Đối với trường hợp LOS (trực xạ), mơ hình ban đầu đựơc mở rộng thành mơ hinh ‘hẻm phố’ Mơ hình tổng hợp đựơc gọi mơ hình COST231-WalfischIkegami R Dhb q hb Dh m hr hm MS b W Tòa nhà f Tịa nhà MS Tịa nhà Tịa nhà Hình 9.1 Định nghĩa thơng số mơ hình Walsfisch-Ikegani Mặc dù mơ hình Walfisch-Ikegami coi mơ hình vi mơ, cần cẩn thận sử dụng cho trường hợp anten phát thấp mái nhà tịa nhà xung quanh Trong trường hợp này, sóng phát truyền qua hẻm phố không truyền bên mái nhà giả thiết mơ hình Chẳng hạn, kích thứơc thực tế tịa nhà lớn phần tử nhiễu xạ qua mái nhà không đáng kể, mơ hình Walfisch Ikagami đánh giá tổn hao thái Vì cấn cẩn thận trường hợp cần kiểm chứng lại kết đo Các giả thiết mơ hình WalfischIkegami hạn chế khả sử dụng trường hợp dó tịa nhà giống đựơc đặt cách nhau, chiều cao đia hình khơng đổi tồn vùng tính tốn Mơ hình COST 231- Walfisch-Ikegami chia hai phần : (1) trực xạ (LOS) không trực xạ (NLOS) Thơng tin độ cao tịa nhà sử dụng để xác định đường truyền LOS hay NLOS Tổn hao đường truyền mơ hình đựơc tính sau : 402 TS Nguyễn Phạm Anh Dũng Lp= 42,6 + 26.lgR+20lgfc [dB] cho LOS (9.10) Lp= Lf + Lrts + Lms [dB] cho NLOS Lf = tổn hao không gian tự Lrts= nhiễu xạ mái nhà-phố tổn hao tán xạ Lms=tổn hao vật che chắn Lp = xác định theo (E.1a) Lrts+ Lms [dB] Tổn hao không gian tự xác định sau: Lf = 32,4 + 20lgR+20lgfc [dB] (9.11) (9.12) Nhiễu xạ nhà-phố tổn hao phân tán tính sau: Lrts = (-16,7) -10lgW+10lgfc+20lgDhm+L0 [dB] (9.13) W = độ rộng phố (m) Dhm = hr-hm(m) L0 = -9,646 [dB] f < 55 độ L0 = 2,5 +0,075(f-55) [dB] 55 f 90 độ f góc đến so với trục phố Tổn hao vật chắn xác định sau: Lms = Lbsh+ka+kdlgR + kflgfc - 9lgb [dB] (9.14) b = khoảng cách tồ nhà dọc theo đường truyền vô tuyến (m) Lbsh Lbsh ka ka ka = -18lg11 + Dhb [dB] =0 = 54 = 54-0,8hb = 54-1,6DhbR hb > hr hb < hr hb > hr R 500m, hb hr R < 500m, hb hr Lưu ý: Lbsh ka tăng tổn hao đường truyền độ cao anten trạm gốc thấp kd = 18 h b < hr , k d 18 15Dh b hb hr Dh m f k f 0,7 c 1 thành phố trung bình vùng ngoại có mật 925 độ trung bình 403 TS Nguyễn Phạm Anh Dũng f k f 1,5 c 1 trung tâm thành phố 925 Dải thơng số cho mơ hình Walfisch-Ikegami phải thoả mãn: 800 fc< 2000 MHz hb 50m hm 3m 0,02 R 5km Có thể sử dụng giá trị mặc định sau cho mơ hình: b = 20-50m W = b/2 f = b/2 Nóc nhà = m cho nhà có độ cao m cho nhà phẳng hr = 3(số tầng) + nhà Ta tính tốn tổn hao đường truyền từ mơ hình Hata Walfisch-Ikegami theo số liệu so sánh kết bảng 9.2 fc = 880 MHz hm = 1,5 m hb = 30 m nhà = m hr = 30 m f = 90 độ b = 30 m W = 15 m Bảng 9.2 So sánh tổn hao đường truyền từ mơ hình Hata Walfisch-Ikegami Khoảng cách km Tổn hao đường truyền, dB Mơ hình Hata Mơ hình Ikegami 126,16 139,45 136,77 150,89 142,97 157,58 147,37 162,33 150,79 166,01 Walfisch- Tổn hao đường truyền dự đoán theo mơ hình Hata thấp 13-16 dB so với mơ hình Walfisch-Ikegami Mơ hình Hata bỏ qua ảnh hưởng độ rộng phố, nhiễu xạ phố tổn hao tán xạ Các ảnh hưởng xét mô hình Walfisch-Ikegami 404 TS Nguyễn Phạm Anh Dũng Thừa số hiệu chỉnh tổn hao Weissberger phát triển mơ hình trễ hàm mũ cải tiến sử dụng nơi đường truyền vô tuyến bị chắn nhiều lá, khô, mật độ cao vùng khí hậu ơn hồ Có thể tính tốn tổn hao bổ sung sau: Lf = 1,33(fc)0,284(df)0,588, dB 14m df 400m (9.15) 0,284 = 0,45(fc) df , dB df < 14 m Lf = tổn hao tính dB fc = tần số tính GHz df = độ cao tính m Hiệu số tổn hao đường truyền có khơng có vào khoảng 35 dB Đối với tần số dải 900 MHz, phương trình (9.31) rút gọn cịn: Lf = 1,29(df)0,588 dB 14 df 400m = 0,437df dB df 14m (9.16) 405 TS Nguyễn Phạm Anh Dũng 9.4 ĐỊNH CỠ MẠNG TRUY NHẬP VƠ TUYẾN Mục đích định cỡ mạng truy nhập LTE ước tính mật độ site yêu cầu cấu hình site cần thiết cho vùng quy hoạch Các hoạt động quy hoạch mạng truy nhập LTE ban đầu bao gồm phân tích quỹ đường truyền vơ tuyến vùng phủ, ước tính dung lượng ơ, ước tính khối lượng eNode B cổng truy nhập (MME/S-GW), cấu hình phần cứng cuỗi thiết bị giao diện khác 9.4.1 Các đầu vào cho định cỡ Một số mục tiêu quan trọng phần phân biệt rõ đầu vào đầu trình định cỡ Có thể chia đầu vào q trình định cỡ LTE cách tương đối thành đầu vào liên quan đến chất lượng, phủ sóng dung lượng Các đầu vào liên quan đến chất lượng bao gồm thơng lượng trung bình xác suất chặn Các thông số yêu cầu khách hàng việc cung cấp mức độ dịch vụ định người sử dụng họ Các đầu vào chuyển đổi trực tiếp thành thơng số QoS Ngồi tiêu chuẩn hiệu biên ô sử dụng công cụ định cỡ để xác định bán kính từ xác định số site Ba phương pháp sử dụng để xác định biên ô Ba phương pháp bao gồm thơng lượng cực đại biên ơ, phủ sóng cực đại tương ứng với MCS (MCS: Modulation and Coding Scheme: sơ đồ mã hóa điều chế) bậc thấp (cho ta số lượng site tối thiểu) bán kính ô quy định trước Với bán kinh ô quy định trước, thơng số đựơc thay đổi để phù hợp với tốc độ số liệu đạt kích cỡ Tùy chọn cho phép linh họat tối ưu công suất phát xác định tốc độ số liệu phù hợp với công suất Quỹ đường truyền vơ tuyến (RLB: Radio Link Budget) có tầm quan trung tâm quy hoạch vùng phủ mạng đa truy nhập vô tuyến Các đầu vào RLB bao gồm công suất phát, hệ thống anten phát thu, số anten sử dụng, độ lợi tổn thất hệ thông thông thường, tải mơ hình truyền sóng Các hệ thống đa truy nhập LTE hoạt hoạt động băng tần thông thường 900 MHz 1800MHz mở rộng đến 2600MHz Mô hình cho tất băng tần đưa để tính tốn định cỡ Ngồi kiểu kênh (đi bộ, xe) thông tin địa lý cần có để bắt đầu q trình định cỡ vùng phủ Thông tin địa lý bao gồm thông tin kiểu vùng (thành phố, nơng thơn, …) kích cỡ vùng cần phủ 406 TS Nguyễn Phạm Anh Dũng M độ ổ ng ất BTS2 MS 22 Mậ t BTS ật ph su ng só co n ác g C an m Các m a n só n g g co n Ý tường sở sơ đồ SFR áp dụng FRF=1 cho người sử dụng tâm ô (CCU: Cell Center User), chẳng hạn người sử dụng UE12, UE22, UE32 hình 9.7 áp dụng FRF=1/3 cho người sử dụng biên ô (CEU: Cell Edge User), chẳng hạn người sử dụng UE11, UE21, UE31 hình 9.7 độ p h ổ cô MS 21 n g su MS 12 ất MS 31 MS 11 Mậ tđ ộp hổ cô ng su ất MS 32 g ón c s co n C ang m BTS Hình 9.7 Tái sử dụng tần số mềm (SFR) hệ thống OFDMA Như thấy hình 9.6 9.7, phân ba băng thơng đựơc gọi kênh sử dụng cho CEU kênh gói phát với cơng suất cao với FRF=3 (hay 1/3) Tần số ấn định kênh lân cận phải trực giao để giảm ICI từ ô lân cận đến người sử dụng Các CCU truy nhập đến tồn tài ngun tần số với công suất phát thấp kênh bình thường 422 TS Nguyễn Phạm Anh Dũng 9.8.2.2 Phân tích thừa số tái sử dụng Trong hệ thống thơng tin vơ tuyến tổ ong, biểu diễn tỷ số tín hiệu tạp âm cộng nhiễu (SINR) sau: SINR PRx Pown Pother Pn (9.38) Trong PRx cơng suất thu tín hiệu mong muốn người sử dụng, Pown công suất nhiễu nội ô, Pother công suất nhiễu ô Pn công suất tạp âm trắng Giả sử máy thu tiên tiến loại bỏ nhiễu nội ơ, SINR đơn giản hóa thành: SINR PRx Pother Pn (9.39) Trong trường hợp kênh phađinh phẳng, theo định lý Shannon, dung lượng kênh biểu diễn sau: C B log 1 SNR FRF (9.40) Trong B băng thơng hệ thống, FRF thừa số tái sử dụng tần số Tính tốn SNR C phụ thuộc vào FRF theo phương trình (9.38) (9.39) thực với thông số cho bảng 9.9 theo mô hình gồm 27 MS nằm điểm cắt ba ô với ô phát công suất 45 dBm Kết tính tốn thể hình 9.8 9.9 Bảng 9.9 Các thơng số vơ tuyến sử dụng cho tính tốn Các thơng số Băng thông B (MHz) Mật độ phổ công suất tạp âm (dBm/Hz) Hệ số tạp âm máy thu (dB) Công suất tạp âm (dBm) Công suất phát (dBm) Bán kính (km) Mơ hình tổn hao đường truyền (dB) Cơng suất tín hiệu thu PRx Giá trị 20 174 -96 45 1,0 13 7,3 92,5 Phương trình tính B N0 NF N=10*log(B)+N0+NF P R PL=137,3 + 35,2*log(R) P-PL 423 SINR biên ô [dB] TS Nguyễn Phạm Anh Dũng 14 12 10 -2 -4 -6 7 FRF Hình 9.8 SINR biên Dung lượng kênh biên ô [Mbps] 20 15 10 FRF Hình 9.9 Dung lượng biên ô Từ cac hình 9.8 9.9 ta thấy, FRF nhỏ băng thơng khả dụng cho cao SINR biên ô lại thấp nhiễu đồng kênh cao Trái lại SINR cao, băng thông khả dụng cho ô thấp SINR cao FRF=3 đạt đựơc dung hịa hai trường hợp nói nên dung lượng biên cao Đây lý FRF=3 đặt cho SFR 9.8.2.3 Ấn định công suất SFR Như trình bày phần 9.8.2.1, CCU sử dụng công suất truyền dẫn thấp CEU Ấn định cơng suất cho loại người sử dụng tính sau: PCCU S P 3P 1 T S PCEU= PCCU (9.41) (9.42) 424 TS Nguyễn Phạm Anh Dũng Trong S tổng số sóng mang gấp ba lần T T số sóng mang CEU P công suất phát rrên sóng mang hệ thống FRF=1 tỷ số cơng suất sóng mang CEU CCU =1 SFR hệ thống FRF=1 SFR trở thành hệ thống FRF=3 Khi lưu lượng biên ô cao, FRF tăng để đạt tốc độ bit biên ô cao ( tăng) Trái lại, lưu lượng chủ yếu phần ô, FRF giảm ( giảm) Hoạt động SFR điều hành BTS Sơ đồ bao gồm việc phân chia sóng mang cho MS để đạt nhiễu thấp 9.9 NGHIÊN CỨU TÌNH HUỐNG CỤ THỂ (CASE STUDY) 9.9.1 Tính tốn tổn hao cực đại từ trạm gốc đến máy di động cự ly phủ sóng Dưới ta áp dụng cơng thức tính tổn hao đường truyền cho phép cực đại nói cho hệ thống thơng tin di động LTE Bảng 9.10 trình bày thí dụ kết tính tốn quỹ đường truyền từ máy di động đến trạm gốc (đường xuống) cho LTE cho trường hợp tốc độ số liệu 1Mbps với sơ đồ điều chế mã hóa kênh QPSK1/3 Giả thiết sử dụng phân tập anten băng thông 50 khối tài nguyên (50RB=9MHz) Giả thiết công suất eNodeB 46dBm tổn hao cáp 2dB Giá trị SINR nhận đựơc từ mô mức đường truyền 1dB, dự trữ nhiễu 3dB Coi hệ số tạp âm máy thu UE 7dB Bảng 9.10 Quỹ đường truyền đường xuống cho LTE cho tốc độ số liệu đường xuống Mbps sử dụng sơ đồ QPSK1/3 Máy phát trạm gốc Công suất phát cực đại (dBm) Công suất dành cho số liệu (dBm) Khuếch đại anten phát (dBi) Tổn hao phiđơ (dB) Tổn hao vô tuyến (dB) Tổn hao tổng (dB) Công suất phát xạ đẳng hướng tương đương cực đại (dBm) Máy thu di động 46 18,0 20% tổng công suất dành cho điều khiển, nên: 10lg(104,6.0,8) GTx 2,0 0,0 2,0 61,0 Lph1 Lrf1 LTx=Lph1+Lrf1 EIRPmax = PTxmax+GTx-LTx 45 425 TS Nguyễn Phạm Anh Dũng Hệ số tạp âm máy thu (dB) Băng thông (dBHz) 7,0 NF 69,5 Công suất tạp âm nhiệt máy thu (dBm) Dự trữ thực (dB) Tạp âm+ dự trữ thực (dBm) SINR yêu cầu (dB) Độ lợi phân tập Độ nhạy máy thu tham chuẩn, REFSENS (dBm) Dự trữ nhiễu (dB) Khuếch đại anten thu (dBi) Tổn hao vô tuyến phiđơ (dB) Tổn hao thể (dB) Tổng tổn hao máy thu (dB) Công suất thu tối thiểu (dBm) Dự trữ phađinh (dB) Tổn hao đường truyền cực đại cho phép (dB) -97,5 Băng thông LTE 50RB=50x180 kHz = 9MHz N =-174+ NF+10lgB 2,5 -95 MIM N+MIM -1 3dB -99 req[dB], từ mô Gd REFSENS= N+ req-Gd 3,0 0,0 MI GTx 0,0 Lphi2+Lrf2 0,0 0,0 Lbody LRx=Lph2+Lrf2+Lbody -94 PRxmin=REFSENS+MI 155 PM PLmax= EIRPmax-PRxmin -PM+GRx – LRx Sử dụng bảng 9.6 với giả thiết f=2140MHz, hb=25m, hm=1,5m ta tính thơng số cho mơ hình suy hao Okumura-Hata bảng 9.11 cho đường xuống với tần số phát xuống 2140 MHz Bảng 9.11 Các thông số môi trường Okumura-Hata tính tốn cho hb=25m, hm=1,5m Kiểu vùng Mở a(hm) [1,1lg(2140)-0,7].1,5 - [1,56lg(2140)-0,8]0,05 Ngoại ô Thành phố nhỏ K 4,78[lg(2140)]2 -18,33lg(2140) + 40,94=32,9 2[lg(2140/28)]2+5,4=12,5 426 TS Nguyễn Phạm Anh Dũng Thành phố 3,2[lg(11,75x1,5)]2-4,97= lớn -0,001 -69,55-26,16lg2140+13,82lg25=137,35 44,9-6,55lg25=35,74 Sử dụng phương trình (9.15) với giả thiết hb=25m, hm=1,5m, ta tính cự ly cực đại vùng phủ sóng sau: d Hata 10 PL Hata 69,55 26,16 lg(f ) 13,82 lg(h b ) a (h m ) K 44,96,55lg(h b ) PLHata 137,35 a (h m ) K 35,74 10 (9.43) Vùng nông thôn PLHata 137,35 a (h m ) K 35,74 dHata 10 155137,55 0,0532,9 35,74 = 10 =25km Ngoại ô PLHata 137,35 a (h m ) K 35,74 dHata 10 155137,550,0512,5 35,74 =10 = 6,9km Thành phố nhỏ PLHata 137,35 a (h m ) K 35,74 dHata 10 155137,55 0,05 35,74 =10 =3km Thanh phố lớn PLHata 137,35 a (h m ) K 35,74 dHata 10 155137,550,0010 35,74 =10 =3km Bảng 9.12 tổng kết cự ly phủ sóng tính tốn theo vùng nói cho Site vơ hướng ngang Ssite =2,6d2 427 TS Nguyễn Phạm Anh Dũng Bảng 9.12 Cự ly phủ sóng theo mơ hình truyền sóng Hata Các mơ hình Hata Cự ly dHata (km) Mở 25 Ngoại ô 6,9 Thành phố nhỏ Thành phố lớn Nếu sử dụng site ba đoạn ô, sử dụng phương trình (9.18) ta tính diện tích phủ sóng site bảng 9.13 Bảng 9.13 diện tích phủ sóng site ba đoạn Các mơ hình Hata Diện tích Ssite (km2) Ngoại 138,8 Thành phố nhỏ 23,4 Thành phố lớn 23,4 Hình 9.10 minh họa bước tính tốn cơng suất cho phép tối thiểu, tổn hao đường truyền cực đại cho phép cự ly phủ sóng cực đại đường xuống GTx=18dBi EIRP=61dB PLmax=155dB Lph1=2dB PRXmin= -95dBm Lrf1=0dB PTx= 45dBm (32W) BTS dmax MS Hình 9.10 Các bước tính tốn cơng suất cho phép tối thiểu, tổn hao đường truyền cực đại cho phép cự ly phủ sóng cực đại đường xuống Hình 9.11 cho thấy biểu đồ mức tín hiệu vơ tuyến đường xuống 428 TS Nguyễn Phạm Anh Dũng GTx PTXmax PLMAX LTX MI GRx LRx PM PRxmin REFSENS Hình 9.11 Biểu đồ mức tín hiệu vơ tuyến 9.9.2 Tính tốn tổn hao cực đại từ máy di động đến trạm gốc Bảng 9.14 trình bày thí dụ kết tính tốn quỹ đường truyền từ máy di động đến trạm gốc (đường lên) cho LTE với giả thiết tốc độ số liệu 64 kbps sử dung sơ đồ điều chế mã hóa kênh QPSK 1/3 Giả thiết sử dung phân tập anten ấn định hai khối tài nguyên (2RB=360kHz băng thông) Giả thiết công suất UE 24 dBm (không có tổn hao thể tổn hao vơ tuyến) Giả thiết eNodeB có hệ số tạp âm 2dB và tỷ số tín hiệu tạp âm cơng nhiễu (SINR) nhận đựơc từ mô mức đường truyền -1dB Dự trữ nhiễu đựơc giả thiết 2dB Tổn hao cáp eNodeB đựơc coi 2dB Hệ số khuếch đại anten thu cuả eNodeB coi 18 dBi xét cho site ba đoạn ô Bảng 9.14 Quỹ đường truyền đường lên cho tốc độ số liệu 64kbps với sơ đồ điều chế QPSK 1/3 Máy phát di động Công suất phát cực 24 PTx đại (dBm) Khuếch đại anten 0,0 GTX phát (dBi) Tổn hao phiđơ (dB) 0,0 Lph1 Tổn hao vô tuyến 0,0 Lrf1 (dB) Tổn hao tổng (dB) 0,0 LTx=Lph1+Lrf1+Lbody 429 TS Nguyễn Phạm Anh Dũng Công suất phát xạ đẳng hướng tương đương cực đại (dBm) Máy thu trạm gốc Hệ số tạp âm máy thu (dB) Băng thông (dBHz) Công suất tạp âm nhiệt máy thu (dBm) Dự trữ thực (dB) Tạp âm+ dự trữ thực hiên (dBm) SINR yêu cầu (dB) Độ lợi phân tập Độ nhạy máy tham chuẩn Dự trữ nhiễu (dB) Dự trữ pha đinh nhanh Công suất thu tối thiểu yêu cầu (dBm) Khuếch đại anten thu (dBi) Tổn hao vô tuyến phiđơ (dB) Dự trữ phađinh Tổn hao đường truyền cực đại cho phép (dB) 24,0 EIRPmax = PTxmax+G1-L1 2,0 NF 55,6 116,4 2,5 113,9 -1 3dB 117,9 2,0 0,0 B=2RB=360KHz N =-174+ NF+10lgB 115,9 18,0 PRxmin=REFSENS+MI 2,0 LRx 155, MF PLmax= EIRPmax-PRxmin –MF +GRx – LRX MIM N+MIM req Gd REFSENS= N+MIM+ req-Gd MI MF GRx Hình 9.12 minh họa bước tính tốn cơng suất cho phép tối thiểu, tổn hao đường truyền cực đại cho phép cự ly phủ sóng cực đại đường lên 430 TS Nguyễn Phạm Anh Dũng GRx=18dBi PLmax=155,9dB Lph1=2dB Lrf1=0dB EIRPmax= 24dBm LTx=0 dB PTxmax= 24dBm (0,25W) PRXmin= -115,9dBm MS dmax BTS Hình 9.12 minh họa bước tính tốn công suất cho phép tối thiểu, tổn hao đường truyền cực đại cho phép cự ly phủ sóng cực đại đường lên Hình 9.13 cho thấy biểu đồ mức tín hiệu vơ tuyến đường lên EIRPmax LTX PTxmax GTx PLMAX MI GRx LRx PM PRxmin REFSENS Hình 9.13 Biểu đồ mức tín hiệu vơ tuyến đường lên 9.9.3 Thí dụ minh họa so sánh tính tốn quỹ đường truyền cho hệ thống thông tin di động Dưới ta áp dụng cơng thức tính tổn hao truyền sóng cực đại cho phép cực đại cho hệ thống thơng tin di động Tính tốn thưc cho đường lên (từ MS đến BTS) cơng suất phát MS độ nhạy máy thu so với BTS Bảng 9.15 tổng kết thông số quỹ đường truyền cho LTE 431 TS Nguyễn Phạm Anh Dũng Bảng 9.15 Tổng kết thông số quỹ đường lên cho LTE Thự tự Mô tả a b c d e f Công suất phát cực đại UE cho loại công suất Các loại cơng suất khác có mức cơng suất khác Có thể giảm cơng suất phụ thuộc vào sơ đồ điều chế Hế số khuếch đại anten phụ thuộc vào kiểu thiết bị Thiết bị cầm tay nhỏ băng tần thấp (băng VIII chẳng hạn) có hệ số khuếch đại 5dB, thiết bị đầu cuối khơng dây cố định với anten có hướng có hệ số khuếch đại lên đến 10dBi Tổn hao thể thường xẩy trường hợp thoại đầu cuối giữ gần đầu người sử dụng Tính tóan a+b+c Hệ số tạp âm RF trạm gốc Phụ thuộc vào thiết kế thực Yêu cầu hiệu tối thiểu vào khoảng 5dB, thực tế hiệu tốt Tạp âm đầu cuối tính kxT (=290K)xbăng thông Băng thông phụ thuộc vào tốc độ bit (từ xác định khối tài nguyên) g h Tính tóan e+f Tỷ số tín hiệu tạp âm từ mô đường truyền hay đo Giá trị phụ thuộc vào sơ đồ điều chế số khối tài ngun ấn định i j Tính tốn g+h Dự trữ nhiễu xét đến tăng mức tạp âm đầu cuối nhiễu từ người sử dụng khác Vì đường lên LTE trực giao nên khơng có nhiễu nội ô nhiên cần dự trữ nhiễu từ ô khác Trong thực tế dự trữ nhiễu phụ thuộc lớn vào dung lượng quy hoạch: cân đối dung lượng vùng phủ Dự trữ nhiễu LTE thấp dự trữ nhiễu WCDMA/HSUPA WCDMA/HSUPA người sử dụng khơng trực giao Nói khác co gãn ô (Cell Breathing) hệ thống CDMA nhỏ Giá trị hình 23 dBm điển -5 đến 10 dBi Từ đến 5dB thoại 2dB -118,4dBm cho hai khối tài nguyên (360 kHz) -7dB cho 64 kbps hai khối tài nguyên Từ đến 10 dB 432 TS Nguyễn Phạm Anh Dũng l M Chuyển giao mềm hệ thống CDMA Hệ số khuếch đại anten trạm gốc phụ thuộc vào kích thước anten số đoạn Annten đoạn ô thông thường cao 1,3 m tần số 2GHz cho hệ số khuếch đại 18dBi Anten kích cỡ tần số 900 MHz cho hệ số khuếch đại nhỏ Dự trữ phađinh nhanh thường sử dụng cho WCDMA điều khiển công suất nhanh để dự trữ khoảng trống công suất cho điều khiển công suất LTE không sử dụng điều khiển công suất nên không cần dự trưc phađinh LTE Chuyển giao mềm không sử dụng LTE 15 đến 21 dBi cho trạm gốc phân đoạn dB dB Bảng 9.16 trình bày thí dụ kết tính tốn quỹ đường truyền từ máy di động đến trạm gốc (đường lên) cho hệ thống thông tin di động GSM, HSPA LTE Bảng 9.16 Thí dụ tính quỹ đường truyền đường lên cho GSM, HSPA LTE Đường lên Tốc độ số liệu (kbps) GSM 12,2 Công suất phát cực đại (dBm) Khuếch đại anten phát (dBi) Tổn hao phiđơ (dB) Tổn hao connectơ (dB) Tổn hao tổng (dB) Công suất phát xạ đẳng hướng tương đương cực đại (dBm) 33,0 HSPA LTE 64 64 Máy phát di động 23 23 0,0 0,0 0,0 G1 0,0 0,0 3,0 30 0,0 0,0 0,0 23,0 0,0 0,0 0,0 23,0 Lph1 Lrf1 L1=Lph1+Lrf1+Lbody EIRPmax = PTxmax+G1-L1 Máy thu trạm gốc HSPA LTE 2,0 2,0 Hệ số tạp âm máy thu (dB) Băng thông (dBHz) - 65,8 55,6 Công suất tạp âm nhiệt máy thu (dBm) - -106,2 -116,4 NF Băng thông HSPA 3,84 MHz Băng thông LTE 2RB=360KHz N =-174+ NF+10lgB 433 TS Nguyễn Phạm Anh Dũng Dự trữ nhiễu (dB) Nhiễu+ tạp âm (dBm) SNRreq Độ nhạy máy thu hiệu dụng (dBm) Dự trữ phađinh nhanh (dB) -114 3,0 -103,2 -17,3 -120,5 1,0 -116,4 -7 -122,4 MI N+MI req,3 [dB], từ mô Pmin= N+MI+ req,3 0,0 1,8 0,0 Khuếch đại anten thu (dBi) Tổn hao connectơ phiđơ (dB) Độ lợi chuyển giao mềm (dB) Tổn hao đường truyền cực đại cho phép (dB) 18,0 18,0 18,0 MF , Để dự trữ cho điều khiển cơng suất vịng kín G2 0,0 0,0 0,0 L2 0,0 2,0 0,0 162 161,7 163,4 Lmax= EIRPmax-Pmin+G2 – L2 -MF+GSHO * Trong LTE RB=180kHz Bảng 9.17 trình bày thí dụ kết tính toán quỹ đường truyền từ trạm gốc đến máy di động (đường xuống) cho hệ thống thông tin di động GSM, HSPA LTE Bảng 9.17 Thí dụ tính quỹ đường truyền đường xuống cho GSM, HSPA LTE Đường xuống Tốc độ số liệu (kbps) GSM 12,2 Công suất phát cực đại (dBm) Công suất dành cho số liệu (dBm) 44,5 Khuếch đại anten phát (dBi) Tổn hao phiđơ (dB) Tổn hao connectơ (dB) Tổn hao tổng (dB) Công suất phát xạ đẳng hướng tương đương cực đại (dBm) Hệ số tạp âm máy thu (dB) Băng thông (dBHz) HSPA LTE 1024 1024 Máy phát trạm gốc 46 46 45 45 18,0 18,0 18,0 20% tổng công suất dành cho điều khiển, nên: 10lg(104,6.0,8) G1 2,0 0,0 2,0 60,5 2,0 0,0 2,0 61,0 2,0 0,0 2,0 61,0 Lph1 Lrf1 L1=Lph1+Lrf1 EIRPmax = PTxmax+G1-L1 - Máy thu di động HSPA LTE 7,0 7,0 65,8 69,5 NF Băng thông HSPA 3,84 434 TS Nguyễn Phạm Anh Dũng Công suất tạp âm nhiệt máy thu (dBm) Dự trữ nhiễu (dB) Nhiễu+ tạp âm (dBm) SNR yêu cầu (dB) Độ nhạy máy thu hiệu dụng (dBm) Dự trữ phađinh nhanh (dB) - -101,2 -97,5 MHz Băng thông LTE 50RB*=9MHz N =-174+ NF+10lgB 104 0,0 4,0 -97,2 -5,2 -102,4 4,0 -93,5 -9 -102,5 MI N+MI req [dB], từ mô Pmin= N+MI-Gp+ req 0,0 0,0 Khuếch đại anten thu (dBi) Tổn hao connectơ phiđơ (dB) Độ lợi chuyển giao mềm (dB) 0.0 0,0 0,0 MF , không điều khiển cơng suất vịng kín cho HSDPA G2 0,0 0,0 0,0 Lphi2+Lrf2 0,0 0,0 0,0 Tổng tổn hao máy thu Độ lợi chuyển giao mềm (dB) Tổn hao thể [dB] Tổn hao đường truyền cực đại cho phép (dB) 3,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 GHO không chuyển giao mềm cho HSDPA hệ thống khác chuyển giao mềm L2=Lph2+Lrf2+Lbody GHO khơng chuyển giao mềm cho HSDPA 3,0 161 ,5 163,4 163,5 Lmax= EIRPmax-Pmin+G2 – L2 -Mf-F+GSHO * Trong LTE RB=180kHz 9.10 TỔNG KẾT Chương xét đến vấn đề liên quan đến tổ chức phủ sóng theo kiểu tơ ong hệ thống thông tin di động Suy hao đường truyền cho phép chia vùng phục vụ hệ thống thơng tin di động thành vùng phủ sóng nhỏ gọi ô mà đảm bảo chúng không gây nhiễu cho Hệ thông thống tin di động với vùng phủ sóng thành nhỏ gọi hệ thống tổ ong Ưu điểm chủ yếu hệ thống cho phép tái sử dụng tần số nhờ ta tăng dung lượng hệ thống mà sử dụng tập hữu hạn tần số cấp phát Trong trình thiết kế hệ thống thông tin di động trước hết người ta cần xác định kích thước diện tích phủ sóng Dựa cấu trúc tính tốn nhà thiết kế xác định đựơc điểm cần đặt BTS số lượng BTS Tính tốn suy hao truyền sóng cực đại cho phép cho phép ta sơ xác định đựơc kích cỡ Sau dựa mơ hình tổn hao 435 TS Nguyễn Phạm Anh Dũng đường truyền ta tính bán kinh phủ sóng diện tích Những vấn đề để định cỡ ô hệ thống tổ ong xét chương sở để sinh viên học môn thông tin di động 9.11 CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP Trình bày quy trình mơ hinh tổn hao Hata-Okumura Trình bày định cỡ mạng truy nhập vơ tuyến Trình bầy phương pháp ước lượng thuê bao Trình bày định cỡ mạng truy nhập vơ tuyến Trình bày phân tích phủ sóng Trình bày nhiễu mạng truy nhập LTE Trình bày quy họach tần số Đưa tính hng tính tốn vùng phủ sóng Đưa tính ước tính số lượng thuê bao 436 ... trợ ô Định cỡ giao diện bước cuối trình định cỡ mạng truy nhập mạng di động 9. 4.3 Quá trình định cỡ mạng đa truy nhập Quá trình định cỡ mạng đa truy nhập bắt đầu tính tốn quỹ đường truy? ??n vô tuyến. .. mạng (eNodeB) Cấu hình phần cứng phần tử mạng Định cỡ giao diện BTS với cổng truy nhập Hình 9. 2 Quy trình định cỡ mạng truy nhập Bước 1: Phân tích số liệu lưu lượng Đây bước trình định cỡ mạng. .. khai thác 9. 4.2 Các đầu trình định cỡ mạng đa truy nhập Các đầu giai đoạn định cỡ mạng đa truy nhập sử dụng để đánh giá tính khả thi giá thành mạng Các đầu tiếp tục sử dụng quy hoạch mạng chi