Cac phuong phap tang cuong dung luong cho umts 110339

THÔNG TIN DI ĐỘNG VÀ VẤN ĐỀ DUNG LƯỢNG

Lịch sử phát triển của thông tin di động

1.1.1 Lịch sử tiến hóa của thông tin di động

1895 lần đầu tiên trong lịch sử nhà bác học Guglielmo Marconi đã thực hiện một cuộc liên lạc giữa một máy vô tuyến đặt ở trên bờ với một chiến hạm ở ngoài biển với khoảng cách 18 dặm (tương đương 28.8 Km) 1901 vẫn là G Marconi đã thực hiện liên lạc vô tuyến giữa Cornwall (thuộc Châu Âu) và New Forland (thuộc Mĩ) tức là giữa hai bờ Đại Tây Dương Đến 1902 thì liên lạc giữa hai bờ Đại Tây Dương đã được thiết lập.

1935 nhà bác học người Mĩ là Amstrong đã phát minh ra phương pháp điều chế tần số (FM: Frequency Modulator) có tính chống nhiễu cao, từ đây liên lạc bằng vô tuyến bắt đầu phát triển với tốc độ khá cao.

1946 lần đầu tiên trong lịch sử viễn thông thế giới tại Mĩ đã triển khai cùng lúc trên 25 thành phố một hệ thống thông tin di động có tên là MTS (Mobile Telephone System), hệ thống này sử dụng phương pháp điều chế tần số FM, chỉ làm việc được ở chế độ đơn công hoặc bán song công Hệ thống sử dụng một máy phát có công suất lớn và đặt trên một Antenna cao, sử dụng phương pháp chuyển mạch nhân công, số cuộc gọi đồng thời rất ít (chỉ có 3 cuộc).

1947 nhà khoa học D.H.Ring làm việc tại phòng thí nghiệm Bell Labs thuộc hãng AT&T của Mĩ đã đề xuất ra khái niệm tế bào (Cell) Ý tưởng của D.H.Ring là chia vùng phủ sóng rộng lớn thành nhiều vùng nhỏ hơn và thay việc sử dụng một máy phát có công suất lớn với một Antenna cao bằng việc sử dụng nhiều máy phát có công suất nhỏ hơn, với Antenna thấp hơn Mỗi

2 vùng nhỏ được gọi là một tế bào (Cell) Các tần số sử dụng được chia thành một nhóm các tần số khác nhau và phân cho các tế bào, sau khi phân hết tần số cho các tế bào thì có thể tái sử dụng lại tần số Các máy phát nhỏ sẽ được nối với nhau qua trung tâm chuyển mạch, máy di động MS (Mobile Station) có thể di chuyển thoải mái từ Cell này sang Cell khác mà không bị gián đoạn cuộc gọi Ý tưởng này là cơ sở cho các hệ thống thông tin di động tế bào sau này Tuy nhiên do sự hạn chế của khoa học công nghệ lúc bấy giờ cho nên ý tưởng này không thể thực hiện được.

1960 hệ thống MTS được cải tiến thành IMTS (Improved), đã có cải tiến là sử dụng chuyển mạch tự động, có thể song công được, số cuộc gọi đồng thời đã tăng lên tới 23 cuộc gọi.

1978 hệ thống điện thoại tế bào lần đầu tiên được thử nghiệm tại Chicago (Mĩ) Đặc điểm của hệ thống này là sử dụng phương pháp điều chế tần số FM, sử dụng tín hiệu điều khiển là BPSK (10Kbps), sử dụng phương pháp đa truy nhập FDMA Hệ thống này được gọi là hệ thống 1G (first Generation) 1979 hệ thống điện thoại tế bào đầu tiên trên thế giới được đưa vào sử dụng tại Nhật Bản do hãng Docomo quản lí 1981 tại Châu Âu (bán đảo Scadinavo) đã triển khai một hệ thống có tên là NMT 450 (Nordic Mobile Telephone sử dụng băng tần 450 MHz).

1983 ở Mĩ mới bắt đầu triển khai hệ thống di động tế bào có tên làAMPS (Advanced Mobile Phone System) Kể từ đây các hệ thống di động được triển khai rầm rộ trên khắp thế giới Tuy nhiên hệ thống 1G này có nhiều nhược điểm như là: chất lượng cuộc gọi chưa được tốt, dung lượng vẫn còn thấp chưa đáp ứng được yêu cầu của người dùng Để khắc phục người ta đã xây dựng các hệ thống thông tin di động thế hệ 2 (2G: Second Generation),nhằm khắc phục nhược điểm của hệ thống 1G và số hóa tiếng nói.

Các hệ thống thông tin di động thế hệ hai 2G bao gồm: GSM, IS – 136,

IS – 95 CDMA, PDC (Personal Digital Cellular: Điện thoại tổ ong số cá nhân), các hệ thống này có một số đặc điểm chung là Số hóa tiếng nói; dùng đa truy nhập: FDMA/TDMA, FDMA/CDMA nhằm mục đích tăng cường dung lượng; tốc độ truyền số liệu 9.6 Kbps, có thể được nâng cấp lên thành 14.4 Kbps, và có sử dụng tin nhắn SMS.

Hệ thống thông tin di động mặc dù khá tiên tiến, tuy nhiên tốc độ truyền dữ liệu vẫn còn thấp chưa đáp ứng được yêu cầu của người sử dụng, bên cạnh đó chủ yếu lại sử dụng chuyển mạch kênh nên hiệu quả sử dụng vô tuyến còn thấp Người ta đã tiến hành cải tiến các hệ thống 2G này thành các hệ thống 2.5G với mục đích tăng cường tốc độ truyền số liệu, sử dụng chuyển mạch gói Các hệ thống 2.5G đã nâng tốc độ truyền số liệu lên tới 115.2 Kbps với GPRS của GSM hoặc 384 Kbps của EDGE.

Các hệ thống thông tin di động 2G mặc dù đã được số hóa tuy nhiên đây vẫn chỉ là các hệ thống băng hẹp tốc độ truyền số liệu chưa cao, chưa đáp ứng được yêu cầu của người dùng để tăng cường truyền số liệu cho thông tin di động, từ năm 1992 liên minh viễn thông quốc tế (ITU: Internertional Telecommunication Union ) đã bắt đầu nghiên cứu để tìm ra một hệ thống tiên tiến hơn các hệ thống 2G hiện có Cho đến năm 2000 đã đưa ra tiêu chuẩn IMT 2000 cho hệ thống thông tin di động thế hệ 3 Ý tưởng ban đầu của ITU là muốn xây dựng một hệ thống 3G chung cho tất cả các mạng di động, tuy nhiên do ngay từ xuất phát điểm ban đầu đã có nhiều chuẩn di động khác nhau nên việc xây dựng một chuẩn chung cho các mạng di động không thực hiện được Trên thực tế có nhiều chuẩn 3G khác nhau, nhưng có hai tiêu chuẩn đã được chấp thuận cho IMT – 2000 là W –CDMA được xây dựng từ 3GPP và CDMA 2000 được xây dựng từ 3GPP2

Các nước châu Âu đã ngiên cứu và cho ra hệ thống W – CDMA khởi nguồn từ đề án CDMT (Code Division Multiple Testbed: Phòng thí nghiệm đa truy nhập theo mã) và FRAMES (Future Radio Multiple Access Scheme:

Sơ đồ đa truy nhập vô tuyến tương lai), các dự án này cũng đã tiến hành thử nghiệm các hệ thống W – CDMA để đánh giá chất lượng của hệ thống Sau đó các công tác chuẩn hóa chi tiết được thực hiện ở 3GPP (Third Gerneration Partnership Project: Đề án của các đối tác thề hệ 3) bao gồm các thành viên sau: ETSI (châu Âu), TTA (Hàn Quốc), ARIB (Nhật Bản), T1P1 (Mĩ).

Lịch trình nghiên cứu phát triển của CDMA 2000/ 3GPP2 (Third Gerneration Partnership Project 2: Đề án thứ hai của các đối tác thề hệ 3) gồm các nước sau: TIA, T1P1 (Mĩ), TTA (Hàn Quốc), ARIB, TTC (Nhật Bản). Được chia thành hai pha:

- Pha 1 (1997 – 1999): thời gian này tập trung vào ngiên cứu phát triển mẫu đầu tiên của hệ thống Năm 1997 xây dựng tiêu chuẩn, xây dựng cấu trúc mẫu đầu tiên của hệ thống và thiết kế các phương tiện thử nghiệm chung Năm

Giới thiệu kĩ thuật trải phổ và ứng dụng trong CDMA

Với các hệ thống thông tin không sử dụng kĩ thuật trải phổ CDMA thì độ rộng băng tần là một vấn đề được quan tâm chính Ở các hệ thống này người thiết kế hệ thống luôn mong muốn sao cho sử dụng càng ít độ rộng băng tần càng tốt Với các hệ thống điều chế biên độ (AM: Amplitude Modulation) thì độ rộng băng tần tối thiểu cần thiết để phát một nguồn tín hiệu tương tự gấp 2 lần độ rộng băng tần của nguồn tin Ở các hệ thống điều tần (FM: Frequency Modulation) độ rộng băng tần có thể bằng vài lần độ rộng băng tần nguồn, phụ thuộc vào chỉ số điều chế Với tín hiệu số, độ rộng băng tần cần thiết có cùng giá trị với tốc độ bít của nguồn và nó phụ thuộc vào dạng điều chế (M-PSK).

Với các hệ thống thông tin trải phổ, độ rộng băng tần của tín hiệu được mở rộng, thông thường lớn hơn hàng trăm lần trước khi phát Như vậy, có thể thấy với hệ thống trải phổ nếu số người sử dụng càng ít và cực đoan nhất là chỉ có một người sử dụng thì rõ ràng là rất lãng phí băng thông, tức là hiệu quả sử dụng phổ tần không cao Tuy nhiên khi số người sử dụng tăng, lúc này nhiều người có thể sử dụng chung một băng tần thì hiệu quả sử dụng băng tần sẽ tăng lên Nguyên lí chung của hệ thống trải phổ như sau: ở phía phát phổ của tín hiệu phát sẽ được trải rộng đến độ rộng băng tần cần thiết và bộ điều chế sẽ chuyển phổ này đến dải tần được cấp phát cho truyền dẫn Sau đó tín hiệu đã được điều chế được khuếch đại và được phát ra kênh truyền dẫn Trong quá trình truyền trên kênh truyền sẽ chịu ảnh hưởng của tạp âm, nhiễu, suy hao công xuất tín hiệu … Ở phía máy thu tín hiệu sẽ được khôi phục lại như ban đầu bằng cách

8 biến đổi ngược lại so với phía phát: giải điều chế tín hiệu thu, giải trải phổ, giải mã …Một hệ thống sẽ được coi là trải phổ nếu thỏa mãn:

- Tín hiệu được phát chiếm độ rộng băng tần lớn hơn độ rộng băng tần tối thiểu cần để phát thông tin.

- Trải phổ được thực hiện bằng một mã độc lập với số liệu

Có 3 hệ thống trải phổ cơ bản: i) Trải phổ chuỗi trực tiếp (DS/SS: Direct Sequence/Spread Spetrum): hệ thống này trải phổ bằng cách nhân tín hiệu nguồn với một tín giả ngẫu nhiên. ii) Trải phổ nhẩy tần (FH/SS: Frequency Hopping/Spread Spectrum).

Hệ thống này trải phổ bằng cách nhẩy tần số sóng mang trên một tập lớn các tần số Mẫu nhẩy tần có dạng giả ngẫu nhiên. iii) Trải phổ nhẩy thời gian (TH/SS: Time Hopping/ Spread Spectrum). Trong hệ thống này một khối các bít số liệu được nén và được phát ngắt quãng trong một hay nhiều khe thời gian trong một khung chứa một số lượng lớn các khe thời gian Một mẫu nhẩy thời gian sẽ xác định các khe thời gian nào được sử dụng để truyền dẫn trong mỗi khung.

Ngoài ra còn có các hệ thống lai ghép từ các hệ thống nói trên:

- Hệ thống nhẩy tần/chuỗi trực tiếp (FH/DS: Frequency Hopping/ Direct Sequence).

- Hệ thống nhẩy tần/thời gian (TFH: Time Frequency Hopping).

- Hệ thống nhẩy thời gian/chuỗi trực tiếp (TH/DS: Time Hopping/ Direct Sequence).

- Hệ thống nhẩy thời gian – tần số/chuỗi trực tiếp (TFH/DS: Time Frequency Hopping/ Direct Sequence).

Các hệ thống trải phổ nêu trên tùy vào mục đích sử dụng sẽ có những ưu nhược điểm riêng Việc trình bày cụ thể từng phương pháp sẽ rất dài dòng tuy nhiên với hệ thống UMTS sẽ sử dụng kĩ thuật trải phổ chuỗi trực tiếp DS/

SS và cụ thể phương pháp này như thế nào sẽ được trình bày ở phần dưới. Nhưng trước khi xét cụ thể hệ thống DS/SS ta cần tìm hiểu về nguyên lí CDMA trước.

1.2.2 Đa truy nhập phân chia theo mã CDMA Đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA: Code Division Multiple Access) là phương pháp mà ở đó nhiều người sử dụng có thể sử dụng chung một tài nguyên vô tuyến, hay nói cách khác là tất cả mọi người dùng đều phát trong băng tần RF (Radio Frequency), mọi người dùng khác nhau được phân biệt với nhau nhờ sử dụng các mã trực giao.

Trong hệ thống sử dụng kĩ thuật trải phổ chuỗi trực tiếp DS/SS mỗi người sử dụng khác nhau sẽ được gán một mã giả ngẫu nhiên hay giả tạp âm (PN: Pseudo Noise) có thuộc tính tương quan chéo thấp, do vậy nhiều người có thể sử dụng chung một băng tần rộng Các tín hiệu từ những người sử dụng khác nhau trở thành nhiễu giống như tạp âm, do tương quan chéo nên mức nhiễu này là nhỏ Vì vậy, có thể thấy số người sử dụng mà hệ thống này cho phép sẽ phụ thuộc tỉ số tín hiệu trên tạp âm (SNR: Signal Noise Ratio) cho phép và tùy vào yêu cầu của hệ thống sẽ có một tỉ số cụ thể, ngoài ra cũng có thể dễ dàng nhận ra số người sử dụng còn phụ thuộc vào độ dài của mã trực giao. Để rõ hơn thì ta xét cụ thể 3 phương pháp đa truy nhập điển hình FDMA(Frequency Division Multiple Access), TDMA (Time Division MultipleAccess) và CDMA Ở hai hệ thống FDMA và TDMA số người sử dụng cực đại phụ thuộc vào số kênh vật lí mà nhà cung cấp có, tức là số người sử dụng cực đại không thể lớn hơn được số khe thời gian hay số băng tần Nhưng với hệ thống CDMA thì lại khác số người sử dụng cực đại không phải là một con số rõ ràng mà nó phụ thuộc vào tỉ số SNR Khi số người sử dụng càng tăng thì chất

1 0 lượng của tín hiệu giảm dần cho đến khi không thể tiếp nhận được nữa Mô hình mô tả các phương pháp đa truy nhập như trên hình 2.3.

Hình 1.2 Các phương pháp đa truy nhập FDMA, TDMA, CDMA.

Trong hệ thống DS/SS tín hiệu băng gốc sau điều chế (với hệ thốngUMTS và GSM sử dụng chung một phương pháp điều chế là 4-PSK) được trải rộng băng cách nhân với một chỗi giả ngẫu nhiên PN hay được gọi là mã trải phổ Tín hiệu sau trải phổ có mật độ phổ công suất PSD (Power SpectralDensty) thấp được đo bằng W/Hz Lúc này tín hiệu thể hiện gần giống như một tạp âm nền và ít gây nhiễu Chỉ có máy thu biết được mã trải phổ PN thì mới giải được trải phổ từ đó giải mã ra được thông tin cần thiết Do các tín hiệu trải phổ sử dụng chung một băng tần sẽ gây ra xuyên nhiễu lần nhau.Nhưng các mã PN này có tính tương quan chéo thấp và trực giao với nhau cho nên hàm tương quan chéo hầu như bằng không Do vậy mặc dù sử dụng chung tần số nhưng ảnh hưởng nhiễu là không nghiêm trọng Song cũng có thể nhận thấy khi số người sử dụng tăng thì mức nhiễu nền tăng dẫn đến hiệu năng sử dụng của hệ thống sẽ giảm.

Hình 1.3 Mô hình trải phổ và giải trải phổ DS/SS.

Thông tin di động thế hệ 3 và UMTS

1.3.1 Giới thiệu các hệ thống 3G

1.3.1.1 Các tiêu chí của thông tin di động thế hệ 3

Sử dụng dải tần quy định quốc tế 2GHz như sau :

Là hệ thống thông tin di động toàn cầu có tính tích hợp cao :

- Tích hợp các mạng thông tin vô tuyến và hữu tuyến.

- Tương tác cho mọi loại hình dịch vụ viễn thông.

Sử dụng khai thác trong các môi trường khác nhau :

Có thể hỗ trợ các dịch vụ như :

- Đảm bảo chuyển mạng quốc tế.

- Đảm bảo các dịch vụ đa phương tiện đồng thời như thoại, data.

Dễ dàng hỗ trợ các dịch vụ mới xuất hiện : môi trường hoạt động của IMT-2000 được chia làm 4 khu cơ bản với tốc độ bít Rb khác nhau như sau.

- Khu vực 1 : indoor, ô pico, Rb ≤ 2 Mbps.

- Khu vực 2 : outdoor, ô micro, Rb ≤ 384 Kbps.

- Khu vực 3 : outdoor, ô macro, Rb ≤ 144 Kbps.

- Khu vưc 4 : toàn cầu, Rb = 9.6 Kbps.

Bảng 1.1 Phân loại các dịch vụ của IMT 2000.

Kiểu Phân loại Dịch vụ chi tiết

- Di động đầu cuối, di động cá nhân, di động dịch vụ

Dịch vụ thông tin định vị

- Theo dõi di động, theo dõi di động thông minh

- Âm thanh chất lượng cao

- Truyền thanh FM Dịch vụ số liệu

- Tốc độ trung bình : 64-144 Kbps

- Tốc độ tương đối cao: 144 Kbps-2 Mbps

- Tốc độ cao: ≥ 2 Mbps Dịch vụ đa phương tiện

- Hình chuyển động thời gian thực: ≥ 2 Mbps Interne t

- Truy cập WEB: 384 Kbps- 2 Mbps

- Truy cập Internet : 384 Kbps- 2 Mbps

- Website đa phương tiện thời gian thực: ≥ 2 Mbps

1.3.1.2 Các công nghệ sử dụng trong thông tin di động thế hệ 3

Có các tính năng cơ sở sau:

- Sử dụng kĩ thuật trải phổ DS/CDMA băng rộng, với độ rộng băng là 5 MHz.

- Lớp vật lí linh hoạt tích hợp tất cả các tốc độ bít trên một sóng mang.

- Hệ số tái sử dụng tần số bằng 1.

Ngoài ra công nghệ này còn có các tính năng tăng cường sau:

- Hỗ trợ Antenna thích nghi.

- Hỗ trợ các cấu trúc thu tiên tiến.

W-CDMA là chuẩn thông tin di động thế hệ 3 do châu Âu đề xuất và đi lên từ GSM có lớp vật lí linh hoạt trong việc hỗ trợ các loại hình dịch vụ khác nhau đặc biệt là các dịch vụ tốc độ bít thấp và tốc độ bít trung bình, sử dụng nhiều công nghệ tiên tiến do đó nó được sử dụng rất rộng rãi.

Tuy nhiên W-CDMA cũng có nhược điểm là hệ thống không cấp phép trong băng TDD với phát thu liên tục Công nghệ W-CDMA không tạo điều kiện cho các kĩ thuật chống nhiễu ở các phương tiện làm việc như máy điện thoại không dây.

Có các tính năng cơ sở sau :

- Cân bằng thích ứng bằng các chuỗi hướng dẫn trong các cụm TDMA.

- Trung bình nhiễu giao thoa băng nhẩy tần (frequency hopping).

- Có hại kiểu cụm với các tốc độ dài 1/16 và 1/64 cho tốc độ số liệu cao và thấp.

- Kích thước tái sử dụng tần số thấp.

Các tính năng tăng cường :

- Triệt nhiễu giao thoa giữa các ô.

- Các bộ cân bằng ít phức tạp cho các phương tiện phân tán trễ lớn.

Hệ thống này có nhược điểm là ở vùng dịch vụ tốc độ bít thấp (thoại chẳng hạn) vì thời gian tối thiểu của khe chỉ là 1/64 khung nên giá trị đỉnh công suất rất cao hoặc mức công suất phát trung bính rất thấp đòi hỏi với dịch vụ thoại cần phải có một tùy chọn băng hẹp đi kèm.

- Phân cách tần số 1.6 MHz.

- Cấu trúc cụm chứa đoạn giữa để đánh giá kênh.

- Khái niệm CDMA được áp dụng trên nền cấu trúc TDMA.

- Giảm nhiễu giao thoa nội ô bằng cách sử dụng tách tín hiệu đa người dùng trong một khe trên cùng sóng mang.

- Hệ số tái sử dụng tần số bằng 3.

- Có tính năng nhẩy tần.

- Triệt nhiễu giao thoa giữa các ô.

- Hoạt động ở chế độ TDD.

Hệ thống này có nhược điểm là máy thu phức tạp nên giá thành của thiết bị đầu cuối sẽ tăng và không thích hợp cho dùng công cộng.

- Hoạt động với nhẩy tần chậm kết hợp với ghép kênh TDMA và OFDMA.

- Mỗi tín hiệu OFDMA có khe băng tần 100 KHz.

- Tốc độ cao đạt bằng cách ấn định một số khe băng để tạo nên băng rộng.

- Phân tập thực hiện bằng cách chia thông tin cho các khe băng ở các sóng mang khác nhau.

Các tính năng tăng cường như sau:

- Tách tín hiệu đa người sử dụng để loại bỏ nhiễu.

Hệ thống này có nhược điểm là ở đường lên, đường bao của tín hiệu tổng bị thay đổi cho nên khó thiết kế bộ khuếch đại công suất.

Tuy nhiên kĩ thuật này cùng được đề xuất sử dụng trong hệ thống Wimax.

► ODMA Đây thực chất là một phương thức chuyển tiếp chứ không thuần túy là một phương thức đa truy nhập Kĩ thuật này cho phép một máy di động nằm ngoài vùng phủ sóng của một Cell có thể phát các gói đên BTS bằng cách chuyển tiếp thông qua một máy di động khác.

ODMA được xem xét sử dụng cho chế độ TDD với phát thu trên cùng một tần số Hiện nay ODMA đã được kết hợp vào W-CDMA để nhằm mục đích tăng cường vùng phủ sóng cho W – CDMA

1.3.2 Giới thiệu hệ thống UMTS

1.3.2.1 Lộ trình phát triển từ thông tin di động thế hệ 2 GSM sang UMTS

Hình 1.4 Lộ trình phát triển từ GSM lên UMTS.

Các mạng di động GSM ở Việt Nam hiện nay hầu hết đang ở giai đoạn hai cộng GPRS với tốc độ truyền số liệu tối đa lên tới 115.2 Kbps, ngoại trừ Mobile phone đã triển khai EDGE với tốc độ tối đa lên tới 384 Kbps.

GPRS là viết tắt của General Packet Ratio Sevice (dịch vụ vô tuyến gói chung) được đưa ra nhằm hỗ trợ dịch vụ số liệu gói tốc độ cao cho hệ thống GSM hiện có GPRS có một ưu điểm đó là sử dụng chuyển mạch gói Dẫn đến nhiều người sử dụng có thể sử dụng chung một tài nguyên vô tuyến do vậy hiệu suất sử dụng tài nguyên vô tuyến rất cao Với GPRS, một máy di động bất kì, tương ứng là người sử dụng, chỉ dành được tài nguyên vô tuyến khi nó có số liệu cần phát và tại các thời điểm khác nhau những người sử dụng khác nhau có thể sử dụng chung một tài nguyên vô tuyến.

Một người sử dụng GPRS khi có yêu cầu truyền số liệu sẽ được cấp cho các khe thời gian (TS) tùy thuộc vào số liệu cần truyền là nhiều hay ít nếu ít được cấp 1TS, 2TS, … có thể lên tới 8TS tức là tương đương với 1 sóng mang GSM do vậy tốc độ truyền số liệu cao nhất có thể lên tới 115.2 Kbps.

1.3.2.2 Mô hình tổng quát của hệ thống viễn thông di động toàn cầu UMTS

Do UMTS là sự phát triển từ GSM thế hệ 2 sang thông tin di động thế hệ 3 cho nên một yêu cầu cơ bản của nó là phải tận dụng triệt để các cơ sở vật chất sẵn có, bên cạnh việc khai thác hiệu quả các tiện ích mà nó đem lại thì cũng phải đáp ứng tốt và tốt hơn nữa các dịch vụ cơ bản sẵn có của nó để có thể đáp ứng được với nhiều loại hình người sử dụng có mức thu nhập khác nhau Dưới đây là một mô hình của mạng UMTS chồng lấn lên GSM do 3GPP phát hành.

Hình 1.5 Mô hình mạng UMTS do 3GPP phát hành 1999.

Có thể thấy mạng chia làm 2 phần :

- Mạng lõi (NC-Network Core): gồm các trung tâm chuyển mạch di động (MSC-Mobile Switching Centrer), các nút hỗ trợ chuyển mạch gói

1 8 phục vụ (SGSN-Serving General Packet Service Support Node), các kênh thoại và các kênh số liệu chuyển mạch gói được kết nối với các mạng ngoài qua các trung tâm chuyển mạch kênh, nút chuyển mạch gói cổng (GMSC- Gateway Mobile Switching Centrer) và điểm hỗ trợ GPRS cổng (GGSN- Gateway GPRS Support Node) Để kết nối trung tâm chuyển mạch kênh với mạng ngoài cần có thêm phần tử làm chức năng tương tác mạng (IWF) Ngoài ra mạng lõi không thể thiếu được các cơ sở dữ liệu cần thiết cho mạng di động như bộ ghi định vị thường trú (HLR), trung tâm nhận thực (AUC), bộ ghi nhận dang thiết bị (EIR).

- Mạng truy nhập vô tuyến UTRAN: gồm bộ điều khiển mạng vô tuyến (RNC-Radio Netwwork Controller) đóng vai trò như bộ điều khiển trạm gốc (BSC) ở các mạng thông tin di động, nút B đóng vai trò như trạm thu phát gốc (BTS) ở các mạng thông tin di động và thiết bị đầu cuối người sử dụng (UE- User Equipment).

Riêng về UE, thực chất đây chính là các MS Do mạng UMTS là sự phát triển kế tiếp của mạng GSM/GPRS cho nên thông thường máy di động phải hỗ trợ đồng thời cả hai mạng này Giao diện giữa UE và mạng được gọi là giao diện Uu (tương tự như giao diện Um của GSM/GPRS).

Trong quy định của 3GPP thì trạm gốc được coi là nút B được nối đến bộ điều khiển mạng vô tuyến (RNC) có chức năng điều khiển các tài nguyên vô tuyến của các nút B được nối với nó RNC đóng vai trò như là bộ điều khiển trạm gốc của GSM/GPRS Giao diện giữa nút B và RNC được gọi là giao diện IuB Giao diện này có tính mở, nghĩa là nó có thể nối nút B của một nhà sản xuất này với RNC của nhà sản xuất khác RNC kết hợp với các nút B nối với nó được gọi là hệ thống con mạng vô tuyến (RNS-Radio NetworkSubsystem).

Khác với GSM, các RNC không nối với nhau Trong mạng truy nhập vô tuyến của UMTS (UTRAN) có cả giao diện giữa các RNC và giao diện này được gọi là giao diện Iur, có tác dụng hỗ trợ tính di động giữa các RNC và chuyển giao giữa các nút B nối đến các RNC khác nhau Báo hiệu Iur hỗ trợ chuyển giao.

CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG TỚI DUNG LƯỢNG

Giới thiệu

Khi tiến hành triển khai mạng UMTS các nhà cung cấp dịch vụ thông thường phải tiến hành quy hoạch mạng UMTS trước, dựa trên các yêu cầu của các thông số được thiết lập Một trong những thông số quan tâm hàng đầu của nhà cung cấp dịch vụ là dung lượng của hệ thống cho nên khi tiến hành quy hoạch mạng thông số này người ta hay dựa trên dự báo các yếu tố như là: sự phát triển kinh tế xã hội, thu nhập bình quân trên đầu người, mật độ dịch vụ điện thoại di động (gồm cả các thuê bao di động thế hệ 2 và các nhà cung cấp3G khác nữa), số lần truy nhập Internet trung bình và các số liệu tương tự khác của thị trường cần phục vụ Việc quy hoạch này hay được sử dụng bằng các công cụ phần mềm quy hoạch và kết quả cuối cùng là phải đưa ra được số trạm BTS, dự tính được lưu lượng, vị trí của các trạm BTS, bản đồ phủ sóng Dung lượng và vùng phủ sóng sau khi quy hoạch phải được phân tích chi tiết cho từng ô Tuy nhiên sau khi mạng đi vào hoạt động sẽ cho thấy một kết quả là không thể hoặc không tối ưu khi triển khai hệ thống giống như quy hoạch Lí do là các công cụ phần mềm và việc tính toán không thể lường hết được các yếu tố đột biến như là xu thế của người dùng, sự thay đổi bất ngờ thói quen của người sử dụng … Nếu như giai đoạn đầu việc phân tích dung lượng cho một ô (có tính đến cả dự phòng cho tương lai) là đủ, thậm chỉ còn thừa, nhưng một xu hướng tất yếu số người sử dụng chắc chắn sẽ tăng, điều này cũng có thể thấy rõ trong các mạng 2G GSM ở nước ta, cho nên việc phải tính đến các biện pháp tăng cường dung lượng cho hệ thống là điều cực kì cần thiết nó ảnh hưởng đến niềm tin của người sử dụng, uy tín của nhà cung cấp dịch vụ.

Do nội dung của đồ án là thực hiện nghiên cứu phương pháp tăng cường dung lượng cho UMTS cho nên ở phần trình bày này học viên chỉ tập trung vào phân tích các yếu tố ảnh hưởng tới dung lượng của hệ thống UMTS.

Hệ thống UMTS sử dụng kĩ thuật trải phổ CDMA băng rộng cho nên tín hiệu của người dùng sẽ chịu ảnh hưởng nhiều từ những người sử dụng khác được gọi là nhiễu Ta sẽ xét cụ thể các yếu tố ảnh hưởng tới dung lượng của hệ thống ở phần dưới.

Quỹ đường truyền – ảnh hưởng của nhiễu

Quỹ đường truyền là cân đối toàn bộ công suất phát, cũng như khuếch đại của các phần tử trên đường truyền với tổn hao gây ra do các phần tử đường truyền cùng với dự trữ fading đường truyền để nhận được công suất thu tại máy thu (độ dự trữ fading: là mức tín hiệu thu được có thể bị sụt đi so với mức tín hiệu thu được khi không có fading trước khi hệ thống không còn làm việc đúng F m  W dB 0 ( m )  W dB ( m ) : với F m là độ dự trữ fading, W dB 0 ( m ) là mức tín hiệu thu được không có fading, W dB ( m ) là mức tín hiệu thu được thực tế thấp nhất trước lúc hệ thống không còn hoạt động đúng) Công suất thu này phải đủ lớn để đảm bảo tỉ số tín hiệu trên tạp âm yêu cầu ở máy thu ( ' ) b rev o

N , để máy thu có thể khôi phục lại thông tin phát đạt chất lượng yêu cầu Tổn hao cực đại đáp ứng điều kiện này gọi là tổn hao cực đại cho phép Tổn hao này cần phải được xem xét ở cả đường xuống và đường lên Như vậy, khi phân tích quỹ đường truyền ở hệ thống UMTS ta cần quan tâm đến các thông số quan trọng sau đây.

Cần phải có dự trữ nhiễu trong quỹ đường truyền vì tải của ô, hệ số tải tác động lên vùng phủ sóng Nếu cho phép tải càng lớn thì càng cần nhiều dự trữ nhiễu ở đường lên và trong trường hợp này vùng phủ sóng càng nhỏ, trong khi đó với các trường hợp bị hạn chế bởi dung lượng thì cần có dự trữ nhiễu cao Ở các trường hợp chịu sự hạn chế của vùng phủ này, kích cỡ của ô bị hạn chế bởi tổn hao đường truyền cho phép cực đại trong quỹ đường truyền và dung lượng cực đại của giao diện vô tuyến của BTS không được sử dụng Sự phụ thuộc dự trữ nhiễu giao thoa vào tải của ô được cho ở bảng dưới Thông thường dự trữ nhiễu ở các trường hợp giới hạn vùng phủ có giá trị 1 – 3 dB tương ứng với tải 20 – 50 %.

Bảng 2.1 Phụ thuộc dữ trữ nhiễu yêu cầu vào tải ô.

Dự trữ nhiễu (hay tăng tạp âm) yêu cầu dB

Cần có một lượng dự trữ fading nhất định ở công suất phát MS để duy trì điều khiển công suất nhanh vòng kín tương ứng Điều này đặc biệt có lợi cho MS của người đi bộ chuyển động chậm khi điều khiển công suất nhanh bù trừ ảnh hưởng của fading nhanh Giá trị điển hình của dự trữ fading nhanh là 2– 5 dB cho các MS chuyển động chậm.

- Độ lợi chuyển giao mềm:

Chuyển giao mềm hay cứng đảm bảo một độ lợi để chống lại fading (fading chuẩn log) bằng cách giảm dự trữ nhiều fading chuẩn log Sở dĩ như vậy vì fading chậm thường không tương quan giữa các trạm gốc và bằng cách chuyển giao MS có thể chọn ra được BTS tốt nhất trong số các BTS thu được. Độ lợi chuyển giao mềm cung cấp độ lợi phân tập vĩ mô bổ sung để chống lại fading nhanh bằng cách giảm ' b o

N liên quan đến một đường truyền đơn nhờ việc kết hợp của phân tập vĩ mô Tổng độ lợi của chuyển giao mềm được coi bằng 2 dB và 3 dB.

- Dự trữ fading chuẩn log phụ thuộc vào mức độ yêu cầu độ tin cậy vùng phủ của ô (xác suất phủ sóng).

Quỹ đường truyền của thông tin di động sẽ phải bao gồm quỹ đường lên và quỹ đường xuống Đường lên và đường xuống thường có tần số khác nhau, công suất phát khác nhau, tải khác nhau (với dịch vụ số liệu thì tải đường xuống bao giờ cũng lớn hơn so với tải ở đường lên) cho nên khi phân tích quỹ đường truyền thì ta phải xét riêng.

► Quỹ đường lên: Ở quỹ đường lên lúc này máy di động MS đóng vai trò là máy phát và nó thực hiện truyền thông tin tới MS khác hoặc tới một điểm thu nào đó thông qua một BTS lúc này đóng vai trò là một máy thu.

Tổng công suất của tạp âm nhiệt được tính theo công thức sau:

( * )[dB]*log(290*1.38*10 )+N 30 10*log( )[dB /Hz]

Trong đó N là tạp âm nhiệt ở đầu vào máy thu, N F là hệ số tạp âm của máy thu và B W là độ rộng kênh đo bằng tốc độ trải phổ.

2 8 Độ nhạy cần thiết của máy thu để đảm bảo tỉ số ( ' ) b rev TO

N yêu cầu được xác định như sau.

Trong đó: PMin là độ nhạy máy thu cần thiết để đảm bảo tỉ số ( ' ) b rev TO

E N đạt yêu cầu, G p là tăng ích đem lại nhờ xử lí hay độ lợi xử lí, N T và I là tạp âm nhiệt và nhiễu từ người sử dụng khác, N To  I 0 là mật độ tạp âm nhiệt và nhiễu từ những người sử dụng khác, N TO ' = N To  I 0 là mật độ phổ công suất tạp âm tương đương

Biến đổi phương trình (2.2) ta có: m p ' rev

M T là dự trữ nhiễu giao thoa của người sử dụng khác

Tổn hao cực đại cho phép đường lên được tính như sau: ax enet

L  EIRP  P  G  L  L  M   M   G (2.5)Trong đó EIRP m  P txm  L fm  L b  G m là công suất phát xạ hiệu dụng của máy di động và P txm , L fm , , L G b m là công suất phát, tổn hao fider + đấu nối, tổn hao cơ thể và hệ số khuếch đại của Antenna máy đi động, G L b , f là hệ số khuếch đại Antenna, tổn hao fider và bộ nối của BTS, L p enet tổn hao thâm nhập, f F , l F

M  M  là dự trữ fading nhanh và dự trữ fading chuẩn log, G HO độ lợi chuyển giao mềm.

Dưới đây là bảng tính toán quỹ đường truyền cho 3 dịch vụ cơ bản của UMTS là dịch vụ tiếng với tốc độ bít 12.2 Kbps ngoài trời, dịch vụ số liệu tốc độ 128 Kbps trong nhà và dịch vụ số liệu tốc độ 384 Kbps trong nhà khi không sử dụng phân tập Antenna (Gd=0).

Bảng 2.2 Thí dụ tính quỹ đường truyền cho tiếng tốc độ 12.2 Kbps, cho đối tượng đi bộ ngoài trời.

Máy phát (di động) Công suất phát của máy phát di động (dBm)

Tổn hao feeder + Bộ nối

Tổn hao cơ thể (dB) L b 3

Công suất phát xạ đẳng hướng tương đương

Máy thu (trạmBTS) Mật độ phổ tạp âm nhiệt

Hệ số tạp âm máy thu

Công suất tạp âm máy thu (dBm) tính cho tốc độ chíp 3.84 Mchip/s

Dự trữ giao thoa (dB) M T (phụ thuộc vào tải ô) 4 Tổng tạp âm + Giao thoa

3 0 Độ lợi xử lí (dB) 3.84*10 6

Tỉ số SNR yêu cầu (dB)

4 Độ nhạy máy thu hiệu dụng (dBm)

102.2 Khuếch đại Anten trạm gốc (dBi)

Suy hao bộ nối và feeder trạm gốc (dB)

M f F  để được dự trữ cho điều khiển công suất vòng kín

Dự trữ fading chuẩn log

Tổn hao thâm nhập tòa nhà (dB) enet

L p 0 Độ lợi chuyển giao mềm

Tổn hao đường truyền cực đại cho phép (dB) ax enet

Nhận xét: Từ bảng trên ta thấy, với dịch vụ thoại cho MS đi bộ ngoài trời, thiết bị của người sử dụng có công suất phát danh định là 0.125W (21 dBm) Đây là MS thuộc loại 4: 21 dBm ± 2dBm, hay loại 3: 21 dBm ± 1/3 dBm Trong trường hợp này ta coi rằng không có khuếch đại Antenna và tổn hao cơ thể 3 dB vì thiết bị rất gần người sử dụng và tín hiệu phải đi xuyên qua người

Bảng 2.3 Thí dụ tính quỹ đường truyền cho số liệu tốc độ 128 Kbps, cho đối tượng trong nhà.

Công suất phát của máy P Txm 24 phát di động (dBm)

Hệ số tạp âm máy thu

N  M -99.2 Độ lợi xử lí (dB) 3.84*10 6

Khuếch đại Anten trạm gốc (dBi)

Nhận xét: Trường hợp này trạm BTS được đặt ở ngoài tòa nhà Thiết bị của người sử dụng có công suất phát danh định 0.25 W (24 dBm) (thuộc loại 3: 24 dBm ± 1/3 dBm, hoặc loại: 27 dBm ± 1/3 dBm), trong trường hợp này coi như không có khuếch đại Antenna và tổn hao cơ thể vì thiết bị số liệu không được đặt gần người sử dụng.

Bảng 2.4 Thí dụ tính quỹ đường truyền cho số liệu tốc độ 384 Kbps, cho đối tượng trong nhà.

Máy phát (di động) Công suất phát của máy phát di động (dBm)

Hệ số tạp âm máy thu N F 5

N  M -99.2 Độ lợi xử lí (dB) 3.84*10 6

108.2 Khuếch đại Anten trạm gốc (dBi)

Nhận xét: Trường hợp này BTS phục vụ nằm ngoài tòa nhà Thiết bị của người sử dụng có công suất phát danh định 0.25 W (24 dBm) (thuộc loại3: 24 dBm ± 1/3 dBm, hoặc loại: 27 dBm ± 1/3 dBm) Trong trường hợp này

3 4 ta coi thiết bị của người sử dụng là thiết bị số liệu đặc biệt sử dụng Antenna ngoài với độ khuếch đại là 2 dBi, và giả thiết tổn hao cơ thể là 0 dB.

Từ ba thí dụ trên (bảng 2.2, bảng 2.3, bảng 2.4) cho ta thấy đối với dịch vụ số liệu ở trong nhà thì công suất phát của MS cao hơn 3dBm so với dịch vụ thoại, nhưng tỉ số SNR yêu cầu thấp hơn (do thiết bị ở trong nhà hầu như không chuyển động hoặc là có chuyển động nhưng với vận tốc thấp hơn) Tốc độ bít càng cao thì độ lợi xử lí Gp càng thấp 3 thí dụ trên còn cho thấy tổn hao đường truyền cực đại cho phép giảm khi tốc độ số liệu tăng và điều này dẫn đến diện tích vùng phủ giảm, và cũng có thể hiểu rằng muốn có được tốc độ số liệu cao thì bán kính của tế bào phải nhỏ.

Tải của ô

Trong hệ thống thông tin di động tế bào thì dung lượng cần quan tâm lại chính là dung lượng của từng ô, đây là vấn đề quan trọng nhất ảnh hưởng trực tiếp tới người sử dụng và uy tín của nhà cung cấp dịch vụ Dung lượng của ô sẽ quyết định việc tính toán quỹ đường truyền bao gồm cả nhiễu giao thoa và các loại nhiễu khác Dung lượng của ô càng lớn thì càng cần có dự trữ nhiễu lớn Dự trữ nhiễu được sử dụng để xét đến nhiễu do người sử dụng khác gây ra, đây là nhiễu bổ sung thêm vào tạp âm nhiệt Từ bảng 2.1 cho ta thấy tăng tạp âm có khuynh hướng tiến đến vô hạn khi tải ô tiến đến 100 %, có thể nhận thấy rằng ta không thể đạt được tải của ô 100% nhưng cũng có thể dễ dàng đạt được tải của ô là 60% Do UMTS cung cấp dịch vụ không đối xứng cho nên

3 8 ta cần phải xét nhu cầu cho cả đường lên và đường xuống và phải tính toán dung lượng cho cả hai đường Để xác định tải của ô có đảm bảo tải dự kiến hay không, ta cần định lượng tải ô, để định lượng tải của ô ta cần xác định nhu cầu sử dụng ở giờ cao điểm Nhu cầu đỉnh này cần phải được xác định cho các dịch vụ khác nhau mà ta cần cung cấp: thoại và số liệu ở các tốc độ bít khác nhau Sau khi xác định được dung lượng của ô và kiểm tra lại để tin chắc rằng đã đáp ứng được nhu cầu dự kiến Hệ thống 3G cung cấp dịch vụ số liệu không đối xứng, cho nên ta cần phải phân tích nhu cầu cho cả đường lên và đường xuống.

Tải của ô đường lên có thể được định nghĩa như sau: η= K

Trong đó: KMax là số người sử dụng cực đại trong ô hay còn gọi là đỉnh, và K là số người sử dụng trong ô.

Sau khi biến đổi phương trình ở trên ta có hệ số tải đường lên là ηUL như sau: η UL =1− P N

Trong đó: P Total  P Re v  P N là tổng công suất có thể đo ở BTS, P Rev là tổng công suất thu được ở BTS, và P N là công suất tạp âm nhiệt.

Hệ số tải ηUL thường được sử dụng cho chỉ thị tải đường lên, chẳng hạn nếu nói tải đường lên là 60 % của tải đỉnh UMTS thì điều này có nghĩa là hệ số tải là ηUL = 0.60.

Biến đổi phương trình (2.7) ta có độ tăng tạp âm nhiệt (Noise Rise) như sau:

Tăng tạp âm nhiệt chính là dự trữ nhiễu giao thoa MT Có thể đánh giá hiệu suất sử dụng phổ tần của một ô UMTS bằng phương trình dưới đây:

Trong đó: E b là năng lượng bít, N 0 ' là mật độ phổ tạp âm gồm tạp âm nhiệt và nhiễu của các người sử dụng khác quy đổi vào tạp âm, υi là hệ số tích cực tiếng, P Total là tổng công suất thu được ở máy thu của người sử dụng thứ i gồm công suất nhiễu của người sử dụng khác, công suất tạp âm nhiệt và công suất cần thu P i

Giải phương trình (2.9) ta được:

Ta định nghĩa hệ số tải của kết nối thứ i như sau :

Ta có thể viết tổng công suất thu được của các người sử dụng ở máy thu thứ i như sau:

Từ phương trình (2.7) và (2.12) ta được: η UL =(1 + β ) ∑ i=1

- K là số người sử dụng trong ô.

P Total là hệ số tải của người sử dụng i.

- ( E b /N 0 ' ) i là E b / N 0 của người sử dụng thứ i.

- υ i là hệ số tích cực tiếng của người sử dụng thứ i (khoảng

65 % cho tiếng gồm cả thông tin bổ xung và 100 % cho số liệu).

- G pi = R pi / R c là tăng đem lại nhờ sử lí của người thứ i.

- R pi tốc độ bít của người sử dụng thứ i.

- R c tốc độ chíp (với UMTS là 3.84 Mchips).

- β là hệ số nhiễu từ ô khác.

Nếu K người sử dụng ở ô có tốc độ bít thấp ( R b >1) ta có thế viết phương trình (2.12) như sau: η UL = E b / N 0 '

(2.14) Khi hệ số tải tiến tới 1 thì ô đạt được dung lượng cực đại.

Hệ số tải ở đường xuống được xác định tương tự như ở đường lên tuy nhiên cần xét thêm hệ số trực giao ta có biểu diễn hệ số tải như sau. η DL = ∑ i=1

- ηDL là hệ số tải đường xuống.

- υi là hệ số tích cực tiếng

- βi là hệ số nhiễu từ các ô lân cận

- αi là hệ số trực giao đường xuống

- G pi là tăng đem lại nhờ xử lí của người thứ i.

Hệ thống CDMA sử dụng các mã giả ngẫu nhiên PN đường xuống trực giao để phân biệt giữa những người sử dụng Nếu không xảy ra hiện tượng truyền sóng đa đường, tính trực giao vẫn đảm bảo khi MS thu tín hiệu từ BTS. Nhưng khi độ phân ở kênh vô tuyến đủ lớn, MS sẽ thu nhận một bộ phận của tín hiệu từ BTS như là nhiễu đa truy nhập Tính trực giao bằng 1 tương ứng với những người sử dụng trực giao hoàn hảo, trên thực tế hệ số trực giao nằm trong khoảng 0.4 – 0.9 ở các kênh đa đường

Nếu K người sử dụng ở ô có tốc độ bít thấp ( R b >1) ta có thể viết lại phương trình tương đương của tải ở đường lên như sau: η UL = E b / N 0 '

Các trường hợp bị giới hạn dung lượng

Dung lượng đường lên bị giới hạn khi hệ thống tiến tới tải đường lên cực đại khi trạm gốc phát hết công suất Điều này có nghĩa là không thể phuc vụ thêm bất kì người sử dụng nào nữa Dung lượng đường lên bị giới hạn trong môi trường yêu cầu dung lượng thấp, mạng được quy hoạch với tải tế bào đường lên thấp để tăng bán kính tế bào cực đại Mục đích của nó nhằm giảm sốSite từ đó sẽ dẫn tới giảm được chi phí đầu tư Thông thường hay sử dụng cho

4 2 các khu vực nông thôn, miền núi,…Muốn tăng cường dung lượng đường lên thì phải yêu cầu cải thiện các tham số trong phương trình tải đường lên.

Dung lượng đường xuống bị giới hạn khi trạm gốc phát hết công suất. Trường hợp này không thể thêm người sử dụng khác nữa Dung lượng đường xuống bị giới hạn trong môi trường ngoại ô hoặc thành phố, các khu vực mà mà mạng được quy hoạch với tải đường lên tương đối cao Tăng cường dung lượng của hệ thống cho các trường hợp giới hạn dung lượng đường xuống thì phải cải thiện phương trình tải đường xuống.

Ảnh hưởng của tải tế bào đường lên và công suất phát trạm gốc

Tải của tế bào đường lên và công suất phát của trạm gốc là các nhân tố gây ra giới hạn dung lượng của hệ thống ở cả đường lên và đường xuống Khi chọn tải của tế bào phải thỏa mãn được lưu lượng mong muốn có tính đến cả dự phòng cho tương lai Sau khi đã được triển khai thì việc tăng tải tế bào sẽ rất phức tạp, do phải thay đổi cấu hình Site so với ban đầu.

Về công suất phát của trạm gốc cũng phải được quy hoạch tính toán trước nhưng việc nâng cấp công suất phát của trạm gốc là tương đối dễ, nó sẽ không làm thay đổi cách bố trí Site

► Ảnh hưởng của tải tế bào đường lên

Mức tải tế bào đường lên cho phép cực đại, dùng để xác định dự trữ nhiễu Tải của tế bào đường lên càng lớn thì số Site càng nhiều cũng như tiềm năng dung lượng trên mỗi Site càng lớn.

Với hệ thống giới hạn dung lượng đường lên, dung lượng trên Site tỉ lệ trực tiếp với mức tải tế bào cho phép cực đại Mỗi người sử dụng khi thiết lập kết nối có cùng b O

N yêu cầu và hệ số tích cực sẽ tăng tải tế bào lên cùng một lượng Tăng gấp đôi tải tế bào cực đại sẽ dẫn đến tăng được gấp đôi dung lượng với hệ thống bị giới hạn dung lượng đường lên Mối quan hệ giữa tải tế bào và tổn hao truyền sóng cực đại cho phép theo hàm mũ Từ công thức tính tải tế bào đường lên (2.14) đã mô tả mối quan hệ giữa tải ô và nguyên nhân tăng nhiễu nền máy thu Khi tải tế bào tiến tới 100 %, thì nhiễu nền máy thu tăng vô hạn Trên thực tế không gặp phải điều này nguyên nhân là mỗi một

MS đều có một công suất phát xác định và được điều khiển chặt chẽ bởi các kĩ thuật điều khiển công suất với tần số 1500 Hz Tải tế bào đường lên nhỏ nhất theo khuyến nghị quy hoạch mạng là 30 % và lớn nhất là 70 % Khi hệ thống bị giới hạn dung lượng đường xuống, quy hoạch với tải tế bào đường lên càng cao thì dung lượng trên mỗi tế bào càng cao Điều này là do tổn hao đường truyền cực đại cho phép đạt thấp hơn và yêu cầu công suất phát trung bình của mỗi người sử dụng của trạm gốc thấp hơn.

► Ảnh hưởng của công suất phát trạm gốc

Những người dùng tích cực trong tế bào sẽ dùng chung công suất phát được ấn định cho tế bào, kể cả các kết nối bằng chuyển giao mềm Yêu cầu công suất phát trung bình thấp hơn dẫn tới dung lượng ô cao hơn Trên thực tế đã mất 20 % công suất của tế bào dành cho các kênh hoa tiêu và kênh điều khiển chung (cũng tương tự như việc mất các khe thời gian TS0 & TS1 dành cho kênh diều khiển quảng bá và các kênh khác trong hệ thống GSM) 80% công suất còn lại dành cho kênh lưu lượng Công suất phát của trạm gốc càng lớn thì sẽ cung cấp dung lượng càng lớn Bên cạnh đó tùy thuộc vào tổn hao đường truyền cực đại cho phép sẽ yêu cầu công suất phát trung bình thích hợp Điều này có nghĩa là công suất phát trạm gốc và tổn hao đường truyền phụ thuộc vào nhau.

CÁC PHƯƠNG PHÁP TĂNG CƯỜNG DUNG LƯỢNG CHO UMTS

Thêm sóng mang và mã PN

Với tất cả các hệ thống thông tin di động nói chung khi dung lượng của hệ thống bị thiếu thì cách đơn giản và hiệu quả nhất để tăng cường dung lượng cho hệ thống đó là tăng thêm sóng mang Điều này có thể dễ dàng nhận thấy với các hệ thống 2G GSM hiện có Lúc đầu hệ thống GSM chỉ sử dụng băng tần 900 MHz là đủ cho 3 mạng GSM ở Việt Nam với mỗi mạng chỉ được khoảng trên 40 tần số nhưng sau một thời gian ngắn số lượng thuê bao tăng lên mỗi mạng được cấp thêm 100 kênh sóng mang ở dải 1800 MHz Còn với hệ thống UMTS đoạn băng tần sử dụng là 60 MHz được cấp cho 4 nhà khai thác (ở Việt Nam) như vậy mỗi nhà khai thác có 15 MHz, tức là có tới 3 sóng mang Tùy vào chiến lược của từng nhà khai thác có thể sử dụng cùng lúc cả 3 sóng mang, hoặc ít hơn, tuy nhiên trong giai đoạn đầu quy hoạch mạng thì chỉ sử dụng 1 sóng mang.

Thêm mã ngẫu nhiên PN được sử dụng khi dung lượng của hệ thống bị giới hạn bởi số lượng mã phân kênh khả dụng Trong môi trường tế bào Macro dung lượng thường bị giới hạn bởi cả tải tế bào đường lên và khả năng công suất phát trạm gốc Mã phân kênh trở thành nhân tố giới hạn trong các trường hợp có thông lượng tương đối cao, điều này dễ xuất hiện trong trường hợp tế bào Micro và trong nhà - trong đó bán kính của tế bào bị giới hạn và tính trực giao của mã cao.

3.1.1 Ảnh hưởng của việc thêm sóng mang

Do các nhà khai thác đều có tới 3 sóng mang, yêu cầu đặt ra phải xác định xem chiến lược phân phối kênh sóng mang sao cho hợp lí Các sóng mang có thể được dùng chung hoặc là được phân bổ riêng rẽ Nếu dùng chung sóng mang sẽ tạo ra được dung lượng tổng của hệ thống cao nhất và sử dụng hiệu quả phổ tần, nhưng phải quy hoạch vô tuyến cẩn thận để đảm bảo đủ cách ly giữa Micro và Macro. Ảnh hưởng của việc sử dụng nhiều sóng mang trên một tế bào phụ thuộc vào dung lượng của hệ thống bị giới hạn bởi đường lên hay đường xuống và bên cạnh đó công suất phát của trạm gốc còn một yếu tố quan trọng, đó là hệ thống có hỗ trợ tốt chức năng cân bằng tải giữa các sóng mang hay không.

Cách đơn giản nhất khi thêm một sóng mang thứ hai để tăng cường dung lượng cho hệ thống là sóng mang mới này phải có cấu hình như sóng mang cũ, từ đó sẽ tạo ra được dung lượng của tế bào là gấp đôi Cần phải lưu ý rằng khi thêm sóng mang thì trong hệ thống phải có sự hỗ trợ cần bằng tải giữa hai sóng mang đó Thông thường tủ trạm gốc của nhà sản xuất thường chứa cả bộ khuếch đại trạm gốc, Module thu phát Cho nên khi thêm một sóng mang mới thì có thể phải thêm một Module khuếch đại mới, hoặc cũng có thể dùng chung Module khuếch đại với sóng mang cũ Điều này cực kì bất lợi do các Module khuếch đại thông thường chỉ cho một hiệu năng tối đa với một tần số nhất định, bên cạnh đó Module khuếch đại chỉ khuếch đại được tới một công suất phát cực đại nào đó Khi thêm sóng mang nó sẽ không khuếch đại đủ công suất của nhiều sóng mang và như vậy dung lượng của hệ thống chắc chắn sẽ bị giảm do giới hạn của bộ khuếch đại công suất Cách tối ưu khác là sử dụng một bộ khuếch đại công suất riêng, song sẽ dẫn tới nhược điểm là tăng chi phí, và phải thiết kế thêm không gian trạm Một bộ khuếch đại công suất có thể mua được với giá thành không cao Nhưng khi cần lắp đặt, triển khai cho toàn bộ hệ thống thì chi phí bỏ ra không phải là nhỏ, đặc biệt là với hệ thống UMTS sử dụng dải tần lên tới hơn 2GHz, do đó số lượng trạm BTS

4 6 trong toàn quốc sẽ rất lớn Cho nên việc tính toán triển khai cần phải được các nhà cung cấp dịch vụ cần nhắc thật kĩ

3.1.2 Ảnh hưởng của việc thêm mã PN

Dung lượng của tế bào Macro thường bị giới hạn bởi giao diện không gian tức là cả tải tế bào đường lên và khả năng công suất phát đường xuống của tế bào (do kích cỡ của tế bào Macro lớn) Khi hệ thống bị giới hạn dung lượng đường xuống, số người sử dụng được phục vụ phụ thuộc vào tính trực giao của mã phân kênh đường xuống Tăng tính trực giao sẽ làm giảm tương ứng mức nhiễu liên tế bào Trong trường hợp này dung lượng của tế bào dễ bị chịu ảnh hưởng hơn từ các tế bào khác Tính trực giao chủ yếu phụ thuộc vào giao diện vô tuyến liên kết giữa người sử dụng với máy thu trạm gốc, lí do là tế bào có kích thước lớn cho nên sẽ có nhiều hơn các kênh đa đường kết hợp với các nhiễu từ tế bào lân cận làm cho trạm gốc không thể giải quyết hết được nhiễu thu từ chính nó

Nếu sử dụng thêm một mã PN thứ hai để tạo ra một cây mã phân kênh khác (hai cây mã phân kênh này khó có thể thiết kế được để trực giao hoàn toàn với nhau), một người sử dụng được ấn định một mã phân kênh từ cây mã phân kênh thứ nhất sẽ có tải tế bào đường xuống và quỹ đường truyền khác so với người sử dụng được ấn định từ cây mã phân kênh kia như vậy hiệu ứng đa đường sẽ bị giảm đáng kể.

Chia sector và triển khai tế bào vi mô

Thực ra kĩ thuật chia Sector đã được sử dụng từ rất lâu, nó đã được sử dụng với các hệ thống 2G nhằm tăng khả năng tái sử dụng tần số của hệ thống, giảm nhiễu từ đó tăng cường dung lượng của hệ thống.

Với thông tin di động tế bào, một Site có dạng hình lục giác đều phải sử dụng Antenna vô hường 360 0 Việc chia nhỏ tế bào ra làm 3 phải sử dụng Antenna có hướng với giản đồ hướng 120 0 … Việc chia nhỏ Sector là thủ thuật chủ yếu dùng để tăng dung lượng của mạng và bên cạnh đó nó cũng sẽ làm tăng vùng phủ sóng của mạng, do khi thay Antenna vô hướng bằng Antenna định hướng sẽ đem lại một tham số hết sức quan trọng là hệ số tác dụng định hướng D, hay tăng ích đem lại nhờ sử dụng Antenna định hướng. Việc lựa chọn Antenna khi chia sector phải thật cẩn thận để tránh gây nhiễu cho tế bào lân cận và phần bổ sung cho chuyển giao mềm.

Khi tăng số lượng sector ngoài việc phải thay thế các loại Antenna mới cho phù hợp, thì các thiết bị phần cứng trong tủ trạm gốc cũng phải được tăng lên Bình thường nếu như khi tăng số lượng sector lên gấp đôi thì cũng phải tăng gấp đôi số lượng các Module thu phát, Module khuếch đại công suất, khả năng xử lí băng gốc Như vậy, khi tăng thêm sector sẽ rất tốn kém khi phải triển khai thêm nhiều thiết bị mới, bên cạnh đó yêu cầu tủ trạm gốc phải có đủ không gian hỗ trợ cho việc lắp thêm thiết bị mới Nhưng nếu như trước trạm gốc đã hỗ trợ bộ khuếch đại sử dụng với đa sóng mang thì các sóng mang có thể sử dụng chung một bộ khuếch đại công suất nhưng hiệu quả sẽ không cao. Tùy thuộc vào yêu cầu sử dụng và dung lượng thực tế qua quá trình phân tích mà có thể chia sector theo các dạng khác nhau để đỡ tốn kém Việc chia sector càng nhiều sẽ dẫn tới một hậu quả hết sức nghiêm trọng, đó là quá trìnhHandOver xảy ra càng nhiều Nếu việc chuyển giao xảy ra liên tục thì máy di động sẽ không còn đủ khả năng phục vụ nữa mặc dù tín hiệu thu trên MS là rất cao Nhưng điều này chỉ xảy ra với các đầu cuối di động có tính chuyển động cao, còn với các đầu cuối di động không chuyển động cũng không đáng

4 8 ngại Dưới đây là một bảng mô tả cấu hình sử dụng chia sector với các ứng dụng khác nhau trong thực tế.

Bảng 3.1 các cấu hình sector với mục đích sử dụng khác nhau.

Mức phân đoạn Ứng dụng

1 sector Sử dụng chủ yếu cho tế bào Macro dung lượng thấp

2 sector Sử dụng cho tế bào Micro hoặc là Macro dọc theo các sa lộ

3 sector Cấu hình cho tế bào Macro tiêu chuẩn dung lượng trung bình

4 - 5 sector Rất ít được sử dụng trong thực tế

6 sector Cấu hình tế bào Macro dung lượng cao

3.2.2 Triển khai tế bào vi mô

Hệ thống 3G UMTS khi được triển khai ở giai đoạn đầu, các nhà cung cấp dịch vụ sẽ tập trung vào các thành phố lớn, các khu dân cư đông đúc nơi mà lưu lượng người sử dụng rất cao, sau đó tùy theo tình hình cụ thể ở từng vùng mà sẽ mở rộng về các vùng nông thôn

Các thành phố có một đặc điểm là mật độ dân cư và nhà cao tầng dầy đặc, số người sử dụng dịch vụ rất lớn, do vậy mật độ trạm BTS rất cao Để cụ thể hơn ta xét một kết quả sau: Với hệ thống GSM của Viettel để phục vụ cho riêng thành phố Hà Nội (không tính Hà Tây và một số khu vực mới sát nhập) đã phải sử dụng tới hơn 700 trạm BTS và bán kính vùng phủ giảm xuống có nơi tới hơn 100m Như vậy việc triển khai tế bào vi mô (Micro) trở thành một yếu tố bắt buộc trong các khu vực thành phố do có ưu điểm giảm được tổn hao truyền sóng trong môi trường có nhiều nhà cao tầng Các tế bào Micro còn thường được triển khai bên trong các tòa nhà cao tầng cho nên sẽ giảm được suy hao nhiều vật chắn và tổn hao xâm nhập.

Khi triển khai tế bào vi mô có thể thực hiện bằng cách triển khai độc lập một tế bào Micro hoặc triển khai tế bào Micro nằm bên trong tế bào Macro bằng việc sử dụng Antenna riêng cho tế bào Micro Nếu triển khai riêng rẽ toàn tế bào Micro sẽ dẫn tới ưu điểm là dễ dàng triển khai lắp đặt và giá thành sẽ rẻ Nếu triển khai tế bào Micro kết hợp với tế bào Macro có ưu điểm là tăng được công suất phát và khả năng xử lí băng gốc cao.

Khi triển khai tế bào vi mô đều có thể áp dụng các phương pháp như là tăng sóng mang và chia secor như đã trình bày ở phần trên, nhưng khi chia sector với tế bào Micro thường khó thực hiện hơn do bản thân của tế bào đã quá bé rồi.

Antenna thích nghi

Antenna thông minh hay còn gọi là Antenna thích nghi là loại Antenna có khả năng tự động chuyển búp sóng chính về phía người sử dụng Do có khả năng tự động chuyển búp sóng chính cho nên nó sẽ tập trung được toàn bộ năng lượng về phía MS và ngược lại nhờ vậy mà tăng được đáng kể hệ số tác dụng định hướng D và giảm nhiễu từ đó tăng cường dung lượng do nhiễu chính là nguyên nhân chính làm giảm dung lượng của hệ thống thông tin di động UMTS Nếu như sử dụng các Antenna thông thường khi thực hiện liên lạc với một người sử dụng trạm gốc sẽ phát ra toàn bộ hình quạt 120 0 nếu như sử dụng 3 sector/Site Ngược lại với Antenna thích nghi trạm gốc chỉ phát cho một người sử dụng Mô hình thể hiện ở hình sau:

Hình 3.1 Minh hoạ sự khác nhau giữa mô hình phát xạ trạm gốc truyền thống và trạm gốc anten thích nghi.

Với các loại Antenna thông thường nó chỉ thực hiện chức năng biến đổi tín hiệu cao tần liên kết trong thiết bị thành dao động tự do phát xạ vào không gian theo một quy luật nào đó Antenna thông minh không những thực hiện đầy đủ các chức năng của Antenna thông thường mà nó còn nhiệm vụ điều khiển, tự động thay đổi hướng phát theo một thuật toán nào đó, tự động chia tách/kết hợp … Trong Antenna thích nghi có một phần tử rất quan trọng quyết định đến hiệu quả của sử dụng Antenna là bộ sử lí tín hiệu số DSP, tùy thuộc vào mức độ tối tân của thiết bị này mà ta có thể xác định được “mức độ thông minh của Antenna” Có một số dạng Antenna thông minh như sau:

- Búp sóng chuyển mạch (SL – Switched Lobe) hay còn gọi là chùm sóng chuyển mạch Đây là kỹ thuật đơn giản nhất, chỉ bao gồm một chức năng chuyển mạch cơ bản giữa các antenna định hướng khác nhau hoặc giữa các chùm sóng được xác định trước của một dàn Antenna Sự chuyển mạch nhằm chọn ra được hướng tốt nhất, thường trong giới hạn công suất thu được Bởi sẽ đạt mức độ định hướng cao so với Antenna truyền thống, nhờ đó tăng ích thu sẽ lớn hơn Như vậy, Antenna kiểu này có thể được sử dụng cho các hệ thống 2G hiện có Antenna loại này thường có giá thành không cao, tuy nhiên nó đem lại mức độ cải thiện có giới hạn.

- Dàn pha động (PA - Dynamically Phased Array): Bằng cách sử dụng thuật toán DoA (Direction of Arrival - hướng của tia tới) cho tín hiệu thu được từ người sử dụng, có thể thực hiện bám thuê bao liên tục và có thể được xem như là sự khái quát hoá của chuyển mạch búp sóng Trong trường hợp này, công suất thu được là lớn nhất.

- Dàn thích nghi (AA - Adaptive Antenna): Trong trường hợp này, thuật toán DoA có thêm chức năng xác định hướng về phía nguồn nhiễu Biểu đồ phát xạ lúc này được điều chỉnh về mức 0 Thêm vào đó, bằng cách sử dụng thuật toán đặc biệt và kỹ thuật phân tập không gian, biểu đồ phát xạ có thể được điều chỉnh thích nghi kết hợp các tín hiệu đa đường, sau đó kết hợp chúng lại thành tín hiệu có ích Nhờ vậy tỷ số tín/nhiễu (Signal to Interference Ratio: SIR) hoặc tín/tạp âm và nhiễu (Signal to Interference plus Noise Ratio: SINR) sẽ đạt cực đại Đây la loại có giá thành cao nhưng hiệu quả đem lại sẽ rất tuyệt vời.

3.3.2 Ưu nhược điểm của việc sử dụng Antenna thông minh

Việc sử dụng Antenna thông minh đem lại những hiệu quả nổi trội sau:

- Tăng chất lượng của tín hiệu: sử dụng dàn thích nghi có thể đem lại tăng ích Antenna phụ Điều này có nghĩa là nếu như sử dụng một dàn Antenna có từ 2 đến 8 phần tử, thì khi đó phân tập thu đường lên sẽ tạo ra một độ lợi đường lên xấp xỉ 2 đến 8 lần.

- Tăng dung lượng của hệ thống: nhân tố chính để người ta nghiên cứuAntenna thông minh chính là yếu tố dung lượng được tăng lên khi triển khai

5 2 nó Với các khu vực đông dân cư, số người sử dụng dịch vụ đông, sẽ dẫn tới nhiễu đa người dùng là nguyên nhân chính làm giảm dung lượng của hệ thống. Điều này cũng có nghĩa là tỷ số tín/nhiễu (SIR) lớn hơn nhiều so với tỷ số tín/tạp âm nhiệt (SNR) Antenna thích nghi sẽ cân bằng ở mức trung bình, bằng cách tăng đồng thời mức độ tín hiệu thu có ích và giảm mức độ nhiễu, như vậy tỷ số SIR sẽ tăng Đặc biệt, dàn thích nghi sẽ cho một sự cải thiện đáng kể Kết quả thực nghiệm cho thấy có thể tăng mức SIR trung bình lên tới

10 dB trong khu vực đô thị.

- Tăng bán kính vùng phủ sóng: đối với các khu vực nông thôn, vùng sâu, vùng xa, … nơi mà dân cư thưa thớt, số người sử dụng các dịch vụ di động ít Những khu vực như thế này thường ít khi thiếu dung lượng cho nên việc triển khai nhiều trạm BTS là không cần thiết và nó gây tốn kém cho nhà cung cấp dịch vụ Việc sử dụng Antenna thích nghi với tính định hướng cao hơn Antenna vô hướng dẻ quạt cho vùng phủ sóng của thông tin di động được mở rộng ra.

- Công suất phát của trạm gốc giảm: khi sử dụng Antenna thích nghi hệ số tác dụng định hướng D tăng lên, với cùng một công suất phát thì vùng phủ sóng được mở rộng ra Như vậy nếu vùng phủ sóng vẫn giữ nguyên thì thì có thể giảm được công suất phát của trạm gốc Điều này cực kì có lợi cho các nhà cung cấp dịch vụ di động, vì khi giảm công suất phát thì giảm được tiêu tốn điện năng, vì để phủ sóng cho toàn quốc số lượng các trạm BTS có thể lên tới con số hàng chục nghìn.

- Khả năng triển khai các dịch vụ mới: khi sử dụng Antenna thích nghi mạng có thể dễ dàng biết được tọa độ chính xác của MS, để từ đó có thể dễ dàng triển khai các dịch vụ mới như dịch vụ gọi khẩn cấp, tính cước theo vị trí, theo dõi vị trí thuê bao giúp ích cho việc quản lí con cái của cha mẹ

- Bảo mật: với Antenna thích nghi việc bị nghe trộm cuộc gọi của kẻ xấu sẽ khó thực hiện hơn vì muồn nghe trộm được kẻ xấu phải nằm ở trong giản đồ hướng rất hẹp của người sử dụng Xác suất để làm được điều này rất nhỏ, không như việc dùng Antenna dẻ quạt.

- Giảm truyền dẫn đa đường: do Antenna thích nghi sẽ phát ra một búp sóng tương đối hẹp, cho nên khả năng chịu ảnh hưởng của các yếu tố địa hình gây nên các tia đa đường rất nhỏ Việc giảm hiện tượng truyền dẫn đa đường sẽ dẫn tới đơn giảm hóa cấu trúc thu.

Bên cạnh những ưu điểm nổi trội mà Antenna thông minh đem lại, nó cũng có một số hạn chế như sau:

- Giá thành: đây có lẽ là yếu tố quan trọng nhất làm cho Antenna thông minh không được triển khai rộng rãi Antenna thích nghi thông thường có giá khoảng 2000 USD Cho một dẻ quạt 120 0 , với số lượng trạm BTS lớn, mà một Site lại được chia thành 3 sector thì việc triển khai Antenna thông minh sẽ là một chi phí khổng lồ Nhưng tương lai không xa, kĩ thuật càng phát triển thì giá thành của nó sẽ ngày càng giảm xuống.

- Sự phức tạp của thiết bị thu phát: máy thu phát với Antenna thích nghi thường sẽ phức tạp hơn nhiều so với máy thu phát trạm gốc Có bao nhiêu phần tử Antenna thì sẽ có bấy nhiêu bộ thu phát Để đảm bảo tốc độ xử lí nhanh với thuật toán thích nghi thì yêu cầu bộ xử lí phải mạnh, chưa kể các cơ chế bám với các MS di chuyển nhanh

- Kích thước vật lí của Antenna: số lượng các phần tử Antenna thích nghi càng nhiều thì tăng ích đem lại càng lớn Theo thông số kĩ thuật của nhà sản xuất đưa ra một Antenna thích nghi gồm 8 phần tử hoạt động trên dải tần 2 GHz sẽ rộng xấp xỉ 60 cm Đây là một kích thước khá lớn, đặc biệt nếu muốn sử dụng với MS.

Điều khiển công suất

3.4.1 Khái niệm điều khiển công suất

Hệ thống UMTS sử dụng kĩ thuật trải phổ W–CDMA cung cấp chức năng điều khiển công suất 2 chiều từ BS ↔ MS, để cung cấp một hệ thống có dung lượng lớn, chất lượng cuộc gọi cao và các lợi ích khác Mục đích của việc điều khiển công suất phát của MS là phải đảm bảo tín hiệu phát của tất cả các MS trong vùng phục vụ được điều khiển hoàn hảo nhất Từ đó dẫn đến tổng công suất thu được tại bộ thu của BS trở thành công suất trung bình của nhiều MS

Bộ thu W–CDMA của BS chuyển tín hiệu W–CDMA thu được của các

MS thành thông tin số băng hẹp gọi là giải trải phổ Còn tín hiệu còn lại của các

MS khác chỉ như là tín hiệu tạp âm băng rộng.Thủ tục thu hẹp băng được gọi là độ lợi xử lí nhằm mục đích nâng cao tỉ số tín hiệu/giao thoa (dB) từ giá trị âm lên đến mứa đủ lớn để có thể hoạt động được với một tỉ lệ lỗi Bít cho phép.

Do phổ tần dành cho di động rất hạn chế, cho nên một yêu cầu đặt ra là phải sử dụng hợp lí tài nguyên vô tuyến để làm tăng dung lượng của hệ thống, tức là làm tăng số cuộc gọi đồng thời hay làm tăng tốc độ truyền số liệu trên một đoạn băng tần cho trước Dung lượng của hệ thống đạt giá trị lớn nhất khi tín hiệu phát của MS thu được bởi BS có tỉ số tín hiệu giao thoa ở mức yêu cầu tối thiểu thông qua việc điều khiển công suất hoàn hảo của MS.

Xét 2 MS hoạt động trong cùng một ô, MS1 và MS2, làm việc với cùng một tần số, nhưng sử dụng các mã trải phổ khác nhau ở BS Giả sử MS1 ở xa

BS so với MS2, do vậy suy hao đường tryền đối với MS1 lớn hơn so với MS2

(ví dụ là 70 dB) Nếu như không thực hiện điều khiển công suất để 2 MS tạo ra mức thu như nhau ở BS, thì MS2 ở gần sẽ gây nhiễu rất lớn cho MS1 và như vậy có thể chặn một bộ phận lớn ô dẫn đến hiên tượng xa gần ở CDMA, từ đó làm giảm dung lượng của hệ thống.

Xét sơ đồ khối hệ thống DS/CDMA điển hình như sau:

Hình 3.2 Mô hình hệ thống DS/CDMA a) Sơ đồ khối, b) Máy thu tương quan nhất quán thứ k

Trên hình 3.2, giả sử có K tín hiệu phát đồng thời tới máy thu, hay nói cách khác có K máy di động MS phát đồng thời tới trạm thu phát gốc BTS, mỗi tín hiệu được gán chỉ số k, trong đó k=1, 2, …, K Dạng sóng số liệu cơ số hai () dk(t) là hàm chữ nhật có biên độ +1 hay -1 và có thể đổi dấu sau Tb giây, dạng sóng trải phổ () ck(t) cũng có hình chữ nhật nhưng nó tuần hoàn

5 6 và có tốc độ cao hơn nhiều so với tốc độ bít số liệu Rb= 1/Tb Ta coi rằng thời gian một bít số liệu (Tb giây) chứa đúng một chu kì (N chíp) mã trải phổ sao cho tốc độ chíp bằng N/Tb = 1/Tc, (tốc độ chíp là: Rc= N/Tb=1/Tc), trong đó Tc là thời gian chíp hay chu kì chíp Như vậy tốc độ chíp Rc gấp N lần tốc độ bít

Rb Tuy nhiên tín hiệu đưa vào trải phổ là tín hiệu đã được điều chế PSK, do đó sau trải phổ sẽ được tín hiệu cũng ở dạng sóng mang Giả sử sóng trải phổ chuỗi trực tiếp của tín hiệu thứ k là: s k (t )= d k (t ) c k (t ) A cos( 2 πff c t +θ k ) (3.1)

Trong đó: A= √ 2 T E b b = √ 2 P là biên độ của tín hiệu

Eb : là năng lượng của bít

P : là công suất trung bình của sk(t), k = 1, 2, … ck(t):là mã trải phổ lưỡng cực nhận hai giả trị là +1 và -1

Rc >> Rb, Tb >> Tc, Tb = N.Tc → N >> 1

Do các mã PN trực giao với nhau nên có nghĩa là các mã ck(t) thỏa mãn điều kiện:

Do hệ thống có sử dụng điều khiển công suất cho nên nếu như giả sử điều khiển công suất là lí tưởng, ta có công suất trung bình của tín hiệu phát là

P Tại máy thu, do có điều khiển công suất nên công suất thu được của K tín hiệu là như nhau, k là pha của sóng mang Do tất cả các tín hiệu phát không đồng bộ cho nên sẽ có trễ τk trong mô hình trên Kênh truyền chỉ chịu tác động của tạp âm AWGN là n(t) có trung bình băng không, với mật độ phổ công suất hai phía là N0/2 (W/Hz) Tín hiệu nhận được tại máy thu sẽ là k tín hiệu phát có trễ, cộng tạp âm nội của máy thu.

Như vậy tín hiệu nhận được tại máy thu (giả sử là máy thu thứ nhất) là: r ( t ) =s 1 ( t ) + ∑ k≠1

Nếu như kênh truyền tốt coi như suy hao không đáng kể, mã PN giữa thu và phát đồng bộ hoàn hảo Ta được tín hiệu ở đầu ra của bộ nhân như sau. r ( t)=C A d 1 ( t ) c 1 2 ( t ) cos( 2 πff c t+ θ 1 ) + ∑ k ≠1

Như vậy, tín hiệu của luồng 1 sau khi được nhân với mã trải phổ giống hệt như ở phía phát sẽ được giải trải phổ Còn các tín hiệu khác (k ≠ 1) sẽ bị trải phổ thêm một lần nữa Phổ của tín hiệu cần thu cùng với tạp âm sau bộ nhân được môt tả như sau:

Hình 3.3 Phổ của tín hiệu thu sau giải trải phổ.

Sau khi lấy tích phân trong khoảng thời gian T b, luồng 1 sẽ được tách ra và ta nhận được: z 1 (t)={ ± √ E br }

Sau đó mạch so ngưỡng sẽ đưa ra quyết định là “+” nếu mẫu lớn hơn 0 (vôn), hay “ - ” nếu ngược lại và chuỗi cơ số 2 đầu ra như sau. d^ 1 (t)={±1} (3.6) Để làm rõ hơn ta xét một ví dụ:

- Xác xuất lỗi bít (PBE: Probability of Bit Error) là một hàm của E b /N 0, được kí hiệu là P b

- Tỉ số giữa năng lượng bít của tín hiệu với mật độ phổ tạp âm ở đầu ra là SNR0 (Signal-to-Noise Ratio).

- Hệ thống chỉ chịu tác động của tạp âm AWGN.

- Tín hiệu điều chế là BPSK.

- Coi mô hình K-1 tín hiệu nhiễu băng rộng như là AWGN

Khi không có suy giảm chất lượng nào ngoài tạp âm AWGN thì ta có

PBE đối với hệ thống BPSK là P b ,BPSK =Q ( √ 2 SNR ) , nếu hệ thống trải phổ có độ rộng băng là B(Hz), thì công suất kết hợp của chúng là: (K-1)*P.

Do vậy tổng công suất tạp âm của hệ thống lúc này sẽ là:

(3.7) Với công suất tạp âm mới này cho ta một mật độ phổ công suất tạp âm hai phía mới:

Nhiễu giao thoa nhiều người sử dụng sẽ tạo nên một tạp âm bổ sung có mật độ phổ công suất hai biên bằng:

Tỉ số tín hiệu trên tạp âm ở đầu ra mới là:

Trong đó: Ebγ = P* Tb Đối với hệ thống BPSK ta coi độ rộng băng B  2/Tc, ta có

Với: E br  P kr * T b : là năng lượng bít trung bình b p c

: Tăng ích đem lại nhờ xử lí

Nếu K=1, tức là cả hệ thống chỉ có một người sử dụng, khi đó nhiễu giao thoa nhiều người sử dụng không còn và ta sẽ đạt được xác suất lỗi bít PBE là Q ( √ 2 E br /N 0 ) và đây chính là kết quả nhận được cho BPSK Phương trình (3.11) cho thấy xác suất lỗi Bít PBE tăng khi số người sử dụng đồng thời

K tăng và giảm cùng với tăng ích đem lại nhờ xử lí Gp.

Giả sử cho tỉ số b O

N , hệ số trải phổ N (hoặc Gp) ta có thể sử dụng phương trình (3.11) để tính số người sử dụng đồng thời được phép của hệ thống (K) Trên thực tế nhiễu giao thoa mặc dù có băng tần rất rộng nhưng mật độ phổ công suất PSD của nó không băng phẳng, vì thế không phải là tạp âm trắng Do vậy trong điều kiện thực tế thì cần phải được xét kĩ hơn.

Thay đổi phương pháp điều chế

Một trong các vấn đề của thông tin di động là phổ tần, khi mà phổ tần dành cho thông tin di động đã được dùng hết trong khi dung lượng yêu cầu đòi hỏi không ngừng Có hai phương pháp để giải quyết vấn đề đó là: Tìm kiếm thêm tần số mới hoặc thay đổi phương pháp điều chế Nếu sử dụng tần số mới thì ngoài việc phải xin được cấp phép sẽ mất rất nhiều thời gian, các thiết bị phải thay đổi để có thể hoạt động tốt trên tần số mới này, với các tần số càng cao thì thiết bị càng đắt tiền như vậy khó sử dụng cho thương mại Nếu như thay đổi phương pháp điều chế sẽ có lợi là không phải xin thêm tần số mới trong khi dung lượng của hệ thống tăng lên, nhưng một yêu cầu đặt ra là các thiết bị đầu cuối phải hỗ trợ.

Trên thực tế việc thay đổi phương pháp điều chế đang sử dụng với các hệ thống từ 4–PSK sang 8–PSK cho hiệu quả vượt trội

Theo lí thuyết truyền dẫn số thì bản chất của điều chế nhằm mục đích ghép m bít → Symbol nhằm mục đích làm tăng hiệu quả sử dụng phổ và ánh xạ 1 – 1 từ tập các Symbol { } S i M i=1  {S } i(t) i=1 M { Si }i=1, tập các tín hiệu dạng sóng.

Hiệu quả sử dụng phổ được đánh giá thông qua tham số: η= R b ƯW [bít/s/Hz] (3.20) Ý nghĩa của nó là trên một đoạn băng thông có độ dài W có thể truyền được bao nhiêu giây Với dung lượng thoại việc thay đổi phương pháp điều chế giúp cho tăng chất lượng của dịch vụ thoại, do có thể dùng nhiều loại mã hóa chất lượng cao với tốc độ bít khá lớn Với dung lượng dữ liệu thì làm tăng tốc độ truyến số liệu trên một đoạn băng tần hạn chế.

Có nhiều sơ đồ điều chế số khác nhau: như ASK, M – PSK (M tối đa bằng

8), FSK, M – QAM Việc sử dụng sơ đồ điều chế càng nhiều trạng thái thì hiệu quả sử dụng phổ càng cao Hiện nay trong phòng thí nghiệm người ta đã thí nghiệm được tới 1024 – QAM , nhưng ở dạng thương phầm chỉ có 512 – QAM.

3.5.3 Ảnh hưởng của thay đổi phương pháp điều chế Đối với thông tin di động và thông tin vệ tinh người ta chỉ sử dụng điều chế FSK hoặc là PSK vì đường bao của tín hiệu là không đổi và như vậy sẽ được lợi về mặt công suất Các hệ thống thông tin di động hiện nay đều sử dụng điều chế 4–PSK Ở hệ thống GSM sử dụng điều chế 0.3 GMSK có nghĩa là bộ điều chế băng thông với độ rộng băng ở 3dB bằng 81.25 KHz Ở GSM tốc độ của Symbol là 270.833 Kbps, trong đó mỗi Symbol thể hiện một bít cho nên tốc độ này cũng bằng 270.833 Kbps và được mang ở sóng mang có độ rộng là 200 KHz Như vậy ta có thể tính được hiệu suất sử dụng phổ tần trong trường hợp này là:

Về bản chất điều chế GMSK vẫn là điều chế 4–PSK Hệ thống sử dụng điều chế PSK cao nhất là tới 8–PSK Muốn tăng số mức điều chế lên phải sử dụng phương pháp điều chế khác Hệ thống UMTS được ra đời dựa trên sự phát triển kế tiếp của mạng GSM/GPRS, cho nên các thiết bị đầu cuối phải hỗ

6 4 trợ đồng thời cả hai mạng này Để minh họa rõ hơn ta có sơ đồ khối của thiết bị đầu cuối hỗ trợ đồng thời cả GSM lẫn UMTS.

Hình 3.4 Sơ đồ khối thiết bị đầu cuối hỗ trợ đồng thời cả GSM lẫn UMTS.

Trên thực tế có rất nhiều thiết bị đầu cuối với các mức giá thành khác nhau đã được hỗ trợ đồng thời cả GSM lẫn UMTS Các thiết bị đầu cuối này có quá trình xử lí tín hiệu về bản chất là giống hệt nhau cho cả mạng UMTS và GSM Cả hai đều sử dụng chung phương pháp điều chế số là GMSK với tần số sóng mang là 170 MHz ở đường lên và thực hiện giải điều chế GMSK(N 7501) với tần số sóng mang là 215 MHz ở đường xuống Từ N7501 nếu làGSM thì tín hiệu sẽ được đưa qua bộ khuếch đại công suất GSM, sau đó qua chuyển mạch Antenna ra môi trường; nếu là tín hiệu UMTS sau điều chế nó được trải phổ W–CDMA, sau đó khuếch đại công suất, qua chuyển mạch Antenna rồi bức xạ ra môi trường Như vậy, ta có thể tác động thay đổi phương pháp điều chế ở khối N 7501 thay đổi phương pháp điều chế từ GMSK sang 8–PSK

Với điều chế 8–PSK mỗi một Symbol sẽ mang 3 bít và được truyền ở một trong số 8 trạng thái pha, coi rằng tốc độ Symbol đúng bằng độ rộng băng tần, nếu như phương pháp điều chế 8–PSK được áp dụng cho GSM ta có tốc độ bít lúc này sẽ tăng lên 200*3= 600 Kbps Và ta có hiệu quả sử dụng phổ là: η 8−PSK = R b ƯW = 600 Ư 200 = 3 [bít/s/Hz] (3.22)

Vì vậy, hiệu quả sử dụng phổ của 8–PSK sẽ cao hơn so với GMSK gần

2 lần Với hệ thống UMTS việc thay đổi phương pháp điều chế từ 4–PSK sang 8–PSK cũng sẽ cho khả năng tăng cường dung lượng đáng kể.

Tuy nhiên việc sử dụng điều chế 8–PSK cũng tồn tại nhược điểm là do các trạng thái phase ở rất gần nhau cho nên rất dễ xuất hiện lỗi Nếu như một BTS hỗ trợ cả điều chế GMSK và 8–PSK, có cùng công suất phát cho cả hai dạng điều chế thì vùng phủ sóng đối với 8–PSK sẽ hẹp hơn so với GMSK, tức là điều kiện truyến sóng đã thay đổi Việc sử dụng điều chế 8–PSK có thể được sử dụng cho các dịch vụ thoại chất lượng cao hoặc là các dịch vụ cần tốc độ bít lớn, sử dụng trong các ô pico có kích thước nhỏ trong điều kiện đường truyền vô tuyến là ổn định, đặc biệt là cho các đối tượng ít di chuyển.

Định dạng
Số trang	69
Dung lượng	874,73 KB