Giới thiệu một số mụ hỡnh đường truyền và cỏc vấn đề liờn quan làm cơ sở cho việc tớnh toỏn truyền sỳng

Lêi giíi thiƯu HiƯn nhu cÇu vỊ sư dơng dịch vụ thông tin di động đà trở nên phổ biến, đặc biệt dịch vụ liệu tốc độ cao, tiêu chuẩn bắt buộc ITU cho mạng hệ thứ 3(3G) Tại Việt Nam mạng GSM sử dụng công nghệ GPRS (General Packet Rate Service), truyền liệu, nhng cha thể đáp ứng đợc dịch vụ đòi hỏi băng thông rộng nh truyền hình hội nghị Trong bối cảnh nh việc đời mạng thông tin di động sử dụng công nghệ CDMA EVN Telecom nh giải pháp hữu hiệu để giải vấn đề Tuy nhiên việc đảm bảo , trì cho mạng hoạt động tốt lại vấn đề không đơn giản Để góp phần giải vấn đề này, đợc hớng dẫn nhiệt tình PGS TS Vũ Quý Điềm, Trờng Đại học Bách khoa Hà Nội Ngoài việc cung cấp sở lý thuyết cho nhà khai thác mạng việc đảm bảo chất lợng mạng, sở cho việc mở rộng mạng sau Với mục đích luận văn đợc kết cấu thành chơng nh sau: Chơng 1: Giới thiệu sơ lợc lịch sử mạng thông tin di động CDMA, vai trò quy hoạch mạng đó, vấn đề việc quy hoạch mạng Chơng 2: Giới thiệu số mô hình đờng truyền vấn đề liên quan làm sở cho việc tính toán truyền sóng Chơng 3: Quy hoạch dung lợng mạng, chơng cung cấp lý thuyết dung lợng, công thức tính toán làm sở tính toán số lợng thuê bao hệ thống, từ thiết kế mở rộng phần cứng Chơng 4: Quy hoạch phủ sóng, chơng trình bầy lý thuyết vùng phủ sóng, tính toán vùng phủ sóng Chơng 5: Quy hoạch PN vấn đề nan giải mạng CDMA, giống nh sử dụng lại tần số GSM, quy hoạch mà không tốt gây nhiều cho mạng, điều đặc biệt quan trọng CDMA mà mức nhiễu tăng đồng nghĩa với số thuê bao phục vụ đồng thời giảm Chơng 6: Lý thuyết tối u hoá, chơng trình bầy số vấn đề việc tối u hoá mạng, nghiên cứu mạng CDMA 2000 1x triển khai Việt Nam Do thời gian nghiên cứu nh khả thân có hạn nên luận văn không tránh khỏi sai sót, tác giả mong nhận đợc ý kiến thầy cô, nh bạn bè đồng nghiệp Một lần tác giả xin chân thành cảm ơn Thầy cô, bạn bè, đồng nghiệp đà giúp đỡ thời gian vừa qua Hà Nội năm 2009 Hoàng Ngọc Nam Chơng 1: Tổng quan mạng thông tin di động tế bào CDMA - Vấn đề quy hoạch mạng 1.1 Lịch sử trình phát triển thông di ®éng tÕ bµo CDMA 30 ~ 150Kbps EDGE EGPRS TDMA GSM GPRS WCDMA 10 ~ 50Kbps All IP Max 2Mbps CDMA cdmaOne (IS-95A) 14Kbps 64Kbps cdma2000 (1xEV-DV) cdma2000 (1x) cdmaOne (IS-95B) cdma2000 (1xEV-DO) 144kbps Max 307Kbps Max 3.09Mbps Max 2.4Mbps cdma2000 (3x) ThÕ hÖ thø 2(2G) ThÕ hÖ thø 2,5(2,5G) Thế hệ thứ 3(3G) ALL IP Ngày phát triển thông tin số trở nên mạnh mẽ, đặc biệt Hình 1.1 Xu hớng phát triển di động CDMA thông tin di động, trải qua nhiều hệ khác nhng thời điểm CDMA công nghệ đáp ứng đợc dịch vụ thoại liệu có chất lợng tốt cho ngời sử dụng, tảng của hệ thứ tơng lai, công nghệ trải phổ nên cho phép nhiều ngời chiếm băng tần lúc, họ phân biệt mà riêng Tuy đời cách đà lâu, ý tởng lúc đầu CDMA lý thuyết shanon, vào khoảng năm 1970 đợc sử dụng quân , theo thời gian đợc thơng mại hoá giới IS-95 one chuẩn di động tế bào số CDMA đầu tiên, đợc giới thiệu lần vào tháng năm 1993 hiệp hội tiêu chuẩn công nghiệp viễn thông Mü, nã bao gåm CDMA IS - 95A vµ IS -95B IS-95 A hệ thống tế bào thơng mại hiệp hội công nghiệp viễn thông Mỹ TIA giới thiệu Chính thức khai thác vào tháng 12 năm 1996 Hồng Kông, ngời ta gọi công nghệ CDMA hệ (2G) IS-95B hay gọi hệ 2,5G đời sau IS-95A, kết hợp chuẩn IS-95A số chuẩn khác nh ANSI-J-008 TSB-74, ANSI-J-008 ban hành năm 1995 chuẩn hệ thống PCS 1,8-2,0GHz CDMA Còn TSB 74 mô tả tơng tác IS-95A CDMA PCS để chúng tơng thích Hệ thống hệ 2,5G đợc triển khai lần vào tháng năm 1999 Hàn Quốc sau đợc chấp nhận số nớc khác nh Nhật Bản Peru Xu hớng di động 3G CDMA2000 ứng cử viên đó, CDMA 2000 phát triển theo pha, CDMA2000 1x CDMA 2000 1xEV - CDMA 2000 1x tăng gấp đôi dung lợng thoại so với mạng CDMAone hỗ trợ liệu với tốc độ đỉnh 307kbps môi trờng di động Thơng mại hoá lần đầu Hàn Quốc vào tháng 10 năm 2000 công ty SK Telecom Rồi sau nớc châu nh Việt Nam (7/2003), Peru sè níc kh¸c CDMA 2000 1xEV bao gåm CDMA 2000 1xEV-DO hỗ trợ việc truyền liệu với tốc độ đến 2,4Mbps phù hợp với ứng dụng đa phơng tiện nh nhạc MP3 truyền hình hội nghị Triển khai Hàn Quốc vào năm 2002 Hình 1.2 Các ứng cử viên cho mạng 3G SK Telecom vµ KT Freetel vµ CDMA 2000 1xEV-DV lµ sù tỉ hợp thoại dịch vụ đa phơng tiện tốc ®é cao lªn ®Õn 3,09 Mbps HiƯn ®· nghiªn cứu thành công phòng thí nghiệm 1.2 Vấn đề quy hoạch mạng Tại Việt Nam dự án hợp tác Công ty SPT SLD theo hình thức hợp đồng hợp tác kinh doanh BCC đà đợc thành lặp để triển khai mạng CDMA2000 1x , mạng thức đa vào khai thác 1/7 năm 2003 Tính đến thời điểm mạng đà cung cấp dịch vụ nh thoại fax dịch vụ liệu tốc độ cao cho khách hàng nớc, nhiên diện phủ sóng thành phố lớn phía Bắc Nam cụ thể đà phủ sóng đợc 12 tỉnh thành nớc bao gồm Hà Nội, Hà Tây Quảng Ninh, Hải Phòng, Hải Dơng, Hng yên, Thành Phố Hồ Chí Minh, Bình Dơng, Đồng Nai, Vũng Tàu Trong năm tới tiến hành phase tức phủ sóng tất tỉnh thành nớc Nh phải cắm thêm trạm tính toán vị trí trạm, tính dung lợng, Để đảm bảo tốt yêu cầu ký thuật cần phải có quy hoạch mạng chi tiết trớc triển khai, để giảm thiểu chi phí đồng thời đạt hiệu kinh tế cao Không việc quy hoạch mạng để trì tham số, tiêu kỹ thuật mạng Tuy nhiên khuôn khổ luận văn tác giả trình bầy số vấn đề mặt kỹ thuật quy hoạch mạng, nhằm cung cấp lý thuyết bản, nhìn tổng quan cho nhà khai thác mạng Vấn đề quy hoạch tách thành mét sè vÊn ®Ị chÝnh nh sau: vÊn ®Ị dung lợng mạng, truyền sóng, phủ sóng, PN offset, nội dung chơng luận văn Chơng 2: Mô hình đờng truyền số vấn đề liên quan 2.1 Đặt vấn đề Trong hệ thống thông tin tỷ số tín hiệu tạp ©m lµ mét tham sè quan träng, hƯ thèng thông tin vô tuyến tỷ số phụ thuộc tham số theo phơng trình sau C ( ERP ) L p G R  N N (2.1) Trong : + ERP (Effective Radiated Power ) công suất xạ hiệu Antena, LP tổn hao đờng truyền, GR tăng ích xử lý Antena thu, N công suất tạp âm ERP=PTLCGT (2.2) + PT: Công suất đầu khuyếch đại công suất máy phát + LC: Tổn hao cáp khuyếch đại công suất phát Antena phát + GT: Tăng ích Antena phát + Đối với N có nhiều loại nhng ta xét công suất tạp âm nhiệt đó: N=kTW (2.3) + K: H»ng sè Boltzmann: K=228.6 dBW/Hz/K + T: Nhiệt độ tạp âm máy thu + W: Băng thông hệ thống Nh C/N phụ thuộc vào tham số nh tăng ích Antena thu phát, công suất thu phát, nhiệt độ tạp âm nhiệt, tất tham số chỉnh hệ thống tối u nhiên có vài yếu tố mà ta điều khiển đợc tham số đờng truyền hay tổn hao đờng truyền Muốn biết đợc tham số ngời ta phải dựa vào mô hình dự đoán, phần nghiên cứu mô hình dự đoán tổn hao nh vấn đề khác đờng truyền 2.2 Các mô hình dự đoán tổn hao đờng truyền 2.2.1 Môi trờng outdoor 2.2.1.1 Mô hình tỉn hao kh«ng gian tù Trong kh«ng gian tù sóng điện từ suy giảm theo hàm bình phơng ngợc khoảng cách 1/d2 42 d2 (2.4) LP = -32,4-20log(fC)-20log(d) (2.5) LP  hay: Trong ®ã: + d (km): khoảng cách máy thu máy phát + (m): bíc sãng cđa tÝn hiƯu + fC (Mhz): tÇn sè sãng mang cđa tÝn hiƯu + LP(dB): tỉn hao ®êng truyền tín hiệu(L=loss, P=path) Số hạng thứ thø lµ h»ng sè hiƯu dơng vËy tỉn hao đờng truyền thay đổi theo khoảng cách d, với độ dốc đờng cong logarit 20dB/decade Nhận xét: Mô hình tổn hao không gian tự đợc sử dụng chủ yếu thông tin vệ tinh hệ thống thông tin khoảng cách xa mà tin hiệu chủ yếu truyền không gian tự Trong hệ thống thông ti di động tổn hao chủ yếu vật cản mặt đất nh nhà cối mô hình không phù hợp cần sử dụng mô hình dự đoán khác xác 2.2.1.2 Mô hình Hata-Okumura Xuất phát từ kết đo thực tế môi trờng đờng truyền di động đợc thực Okamura, công cụ xấp xỉ toán học, Hata đà xây dựng nên mô hình dự đoán tổn hao đờng truyền Hata-Okumura a) Vùng đô thị (urban area): LP= -K1- K2log(fC)+13.82log(hb)+a(hm)-[44.9-6.55log(hb)].log(d)- K0 (2.6) Trong ®ã: + LP(dB): tỉn hao ®êng trun + fC(=150-2000Mhz): tÇn sè sãng mang cđa tÝn hiƯu + hb(=30-200 m): chiỊu cao antenna tr¹m gèc + hm(=1-10 m): chiỊu cao antenna trạm di động + d (=1-20 km): khoảng cách trạm gốc trạm di động Chú ý: độ dốc - [44.9-6.55log(hb)] dB/decade Tham số a(hm) hệ số K0 đợc sử dụng để điều chỉnh chiều cao antenna tuỳ theo môi trờng: Nếu thành phố nhỏ trung bình : a(hm) = [1.1log(fC)-0.7].hm - [1.56log(f)-0.8] K0 =0dB Nếu thành phố lớn : fC  200Mhz  a(hm) = 8.29[log(1.54hm )]2- 1.1 fC  400Mhz  a(hm) = 3.2[log(11.75hm )]2- 4.97 vµ K0 =3dB Các hệ số K1 K2 đợc sử dụng để giải thích dải tần số, cụ thể : Nếu 150Mhz fC 1000Mhz K1= 69.55 K2=21.16 NÕu 1500Mhz fC  2000Mhz th× K1= 46.3 K2=33.9 b) Vùng ngoại ô (suburban area): f  L P(suburban ) L P( urban )  2 log C   5.4 dB   28     (2.7) c) Vïng më (open area): L P(open ) L P ( urban)  4.78 log f C   18.33 log f C  40.94 dB (2.8) d) Nhận xét: Đây mô hình đợc sử dụng rộng rÃi tool đờng truyền môi trờng thông tin di động tế bào nã chøa nhiỊu tham sè cđa ®êng trun nh nh tần số, dải tần, chiều cao antenna thu phát, mật độ nhà Mặc dù không bao quát hết đợc vấn đề đờng truyền nhng thực tế lại hiệu đô thị có mật độ cao 2.2.1.3 Mô hình Wdfish-ikegami (Cost 231) Mô hình ®ỵc sư dơng ®Ĩ íc lỵng tỉn hao ®êng trun (LP ) môi trờng đô thị cho hệ thống thông tin di động tế bào dải tần 800Mhz 2000Mhz Thực tế mô hình đợc sử dụng chủ yếu Châu Âu cho hệ thống GSM Mô hình chứa phần tử : tổn hao không gian tự (Lf ), tổn hao tán xạ (Scatter) nhiễu xạ (diffraction) rooftop-to-street (Lrts) tổn hao che ch¾n (multiscreen) (Lms) LP = Lf + Lrts + Lms (2.9) Trong ®ã: + Lf = 32.4+20logd+20logfC dB + Lrts= -16.9-10.logW+10logfC+20loghm+L0 dB + W(m): bỊ réng cđa + hm= hr-hm (m) + L0=-9.646 dB nÕu : 0 350 + L0=2.5 + 0.075 (-350) dB nÕu : 35 550 + L0=4-0.114(-550) dB nÕu : 55 900 + : lµ gãc tíi cđa R θ Δh m hm b w MS Hình 2.1 Mô hình đờng truyền COST123 Ta có: Lms= Lbsh+ka+kdlogd+kflogfC-9logb (2.10) + b(m): Khoảng cách nhà dọc theo đờng truyền vô tuyến + Lbsh=-18log11+hb, nÕu hb>hr = nÕu hb< hr + ka= 54 nÕu hb>hr = 54- 0.8hb nÕu d  500m vµ hb hr = 54- 1.6hb.d nÕu d < 500m vµ hb hr k d 18, k d 18  hb  h 15h b , h b h r h m + Đối với thành phố trung bình với mật độ vừa phải f k f  0.7 C   925  1  + Đối với trung tâm đô thị f k f 4  1.5 C  1  925  D¶i tham số cho mô hình 800 fC 2000 (Mhz)  hb  50 (m)  hm  (m) 0.02  d  (km) Mét số giá trị mặc định cho mô hình b=20-50m W=b/2 =900 Chiều cao mái nhà R =3m mái dốc R = với mái phẳng Khi ®ã chiỊu cao cđa toµ nhµ hr= tỉng chiỊu cao tầng+ R Thực bớc so sánh nhỏ mô hình Hata-Okumura Wdfish-ikegami có : Tổn hao đờng truyền (dB) Mô hình WdfishKhoảng cách Mô hình Hata-Okumura ikegami (km) 126.16 139.45 136.77 150.89 142.97 157.58 147.37 162.33 150.79 166.01 B¶ng 2.1 So sánh tổn hao đờng truyền mô hình HataOkumura COST 123 Nhận thấy giá trị dự đoán tổn hao mô hình Hata-Okumura thấp từ 13-16dB, có điều mô hình Hata-Okumura đà bỏ qua ảnh hởng yếu tố nh bề rộng phố, tổn hao khúc xạ, tán xạ phố yếu tố lại xuất mô hình Wdfish-ikegami 2.2.2 Môi trờng Indoor Các nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm đà MS di chuyển bên nhà chịu ảnh hởng phading Rayleigh vật cản đờng truyền phading Ricean đờng truyền sóng tầm nhìn thẳng (LOS, đờng truyền nhìn thẳng đờng vật cản nhà , phản xạ tín hiệu) Nếu không xét đến kiểu nhà phading Rayleign phading ngắn hạn tín hiệu đa đờng triệt tiêu phần tổng hợp máy thu MS Phadinh Ricean kết hợp đờng LOS mạnh phản xạ từ mặt đất với số đờng phản xạ yếu khác Đối với CDMA việc xác định lợng suy hao truyền dẫn tầng quan trọng cần thiết để quy hoạch sử dụng lại tần số tầng tránh đợc nhiễu đồng kênh Có nhiều yếu tố ảnh hởng đến suy hoa đờng truyền nh loại vật liệu, kiểu cửa sổ toàn nhà, nội thất Tuy nhiên đặc điểm quan trọng tổn hao tầng không tăng tuyến tính với khoảng cách (theo đơn vị dB) Tổn hao lớn xảy máy thu máy phát cách tầng đơn Tổn hao đờng truyền tổng cộng tăng với tỷ lệ nhỏ so với tăng số lợng tầng, cụ thể giá trị điển hình suy hao máy thu máy phát cách tầng 15dB, tầng tiếp theo, suy hao sau tầng từ 6-10dB cho tầng tiếp theo, sau tăng số tầng lên lợng suy hao vài dB sau tầng Trong trờng hợp máy phát đặt bên nhà nghiên cứu đà tín hiệu thu đợc bên nhà tăng theo chiều cao nhà vì, tầng thấp cụm dân c xung quanh làm cho suy hao lớn nên giảm mức đâm xuyên Với tầng cao tồn đờng truyền tầm nhìn thẳng (LOS) tín hiệu tới tờng mặt nhà mạnh hơn, tổn hao đâm xuyên hàm tần số (tỷ lệ nghịch), chiều cao nhà (tỷ lệ nghịch) Nếu mặt đâm xuyên có cửa sổ thực nghiệm đà tổn hao cờng độ tín hiệu bên nhà giảm đợc trung bình khoảng dB so víi kh«ng cã cưa sỉ, nh vËy møc thu tÝn hiệu bên cải thiện đợc 6dB Thực nghiệm tổn hao đâm xuyên giảm khoảng dB/ tầng từ tầng mặt đất đến tầng thứ 10 sau bắt đầu tăng, tăng đóng góp hiệu ứng che chắn nhà lân cận Tổn hao đờng truyền trung bình hàm khoảng cách máy thu máy phát nhà tầng  r  L  r  L  r0   10.γ log  dB  r0  Trong ®ã: + L  r  : Tæn hao ®êng truyền trung bình tầng 10 (2.11)