đánh giá tác động của hệ thống gsm đến thiết bị hỗ trợ nghe trong khu vực đô thị

TIỂU LUẬN MÔN HỌC TƯƠNG THÍCH ĐIỆN TỪ Đề tài: ĐÁNH GIÁ TÁC ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG GSM ĐẾN THIẾT BỊ HỖ TRỢ NGHE TRONG KHU VỰC ĐÔ THỊ Tiểu luận môn học Đánh giá tác động của hệ thống GSM đến thiết bị hỗ trợ nghe MỤC LỤC 1. Giới thiệu chung 2. Các điều kiện, giả thiết ban đầu  3. Đặc tính cell: 6   !"#$%&'()%)* +,-%%./ 01&2"#34&56789::$6;9;):)<= 4. Các tình huống - Scenarios 10 >&?)@ABC8D >187E));@D > E%F9 > &2:6G)GH$%&(2 > I'J7KL%#$ >  I'J7KL296 > +,$%M"N2M9O9%E >&2%)P;K2QH97E%)P;KB2&2$%RST)96%! >%E9U > +V$%O> >W$%(> >>E%F90 5. Các tình huống xảy ra trong 1 ngày 15 0X)2%*%YE7E66?6Z;B6E)0 0 )"(7E:EH7)T2G)6?6[ 0)%\%= 9 Tiểu luận môn học Đánh giá tác động của hệ thống GSM đến thiết bị hỗ trợ nghe 0>]^C8B D 6. Thảo luận 20 ]%&2%%E_'"`?a%)P;K%bc%8 D &2%)P;K2QH9 D  %)P;KB2&2$%RST?)2%*  X)@   &2)-)$%&$  &2:6G)%)de%&2 >&2;)P%*2N%*C-9 7. Kết luận 23 9 Tiểu luận môn học Đánh giá tác động của hệ thống GSM đến thiết bị hỗ trợ nghe Tóm tắt (Abstract) Công nghệ GSM đã ra đời từ những năm 1988 tại Châu Âu và đến nay đã trở thành một trong những tiêu chuẩn phổ biến nhất cho thông tin di động trên phạm vi toàn cầu. Hiện nay đã có trên 3 tỷ thuê bao di động GSM trên toàn thế giới. Để có thể phát triển như hiện nay, các công ty chế tạo thiết bị đã nghiên cứu và sản xuất các thiết bị di động, bao gồm cả hệ thống mạng và máy đầu cuối, hoạt động an toàn trong môi trường, ít gây ảnh hưởng đến sức khỏe của con người cũng như sự hoạt động bình thường của các thiết bị khác. Trong phạm vi tiểu luận này xin trình bày phác họa về khả năng gây nhiễu từ hệ thống trạm thu phát vô tuyến, máy di động đầu cuối GSM đến thiết bị nghe cá nhân thông qua việc mô tả và tính toán phạm vi gây nhiễu trong các bối cảnh xảy ra của đời sống thường nhật tại thành phố London và các địa bàn phụ cận. 9> Tiểu luận môn học Đánh giá tác động của hệ thống GSM đến thiết bị hỗ trợ nghe 1. Thông tin chung Để có được kết quả kiểm tra toàn diện về tác động của các bộ phát GSM đến thiết bị trợ thính (hearing aid) cần các kết quả trong phòng thí nghiệm về tác động lên người sử dụng thiết bị đó (hearing aid user). Các kết quả trong phòng thí nghiệm cho thấy người nghe sẽ cảm nhận được tác động của nhiễu khi cường độ trường tại một số hướng lên đến 4V/m. Một ô phủ sóng di động (sau đây gọi là cell) điển hình ở khu vực đô thị được đặc tính hóa bằng cách sử dụng quỹ tín hiệu đường truyền (link budget) và một số điều kiện cho trước khác. Một số các điều kiện cho trước quan trọng được liệt kê trong phần tiếp theo của tiểu luận này kèm theo các điều kiện riêng lẻ trong từng bối cảnh khi xem xét đánh giá. Sau khi có được các đặc tính của cell, chúng ta sẽ chọn ra các bối cảnh (scenarios) trong đó người dùng thiết bị nghe sẽ gặp phải tác động của thiết bị phát sóng GSM. Tại mỗi trường hợp, sẽ có kết luận về mức tác động lớn nhất và đáng kể nhất của nhiễu. Từ những trường hợp riêng lẻ đã xét ở trên, chúng ta tiến hành tổng hợp để xây dựng các bối cảnh gần sát với thực tế cuộc sống hàng ngày hơn, với đặc trưng của đô thị như London, chúng ta xây dựng 4 bối cảnh tổng hợp để xem xét tác động của máy phát sóng GSM đến người dùng thiết bị trợ thính (hearing aid user). 2. Các giả thiết, điều kiện ban đầu : Để tiến hành thực nghiệm và tính toán, cần có một số điều kiện cho trước, cụ thể như sau : - Một trạm gốc thu phát sóng di động GSM (sau đây gọi là BTS) tại trung tâm thành phố có có bán kính phủ sóng 2km, công suất phát của trạm ở mức 4 (40W). - Tất cả các cell hoạt động ở mức 50% dung lượng - Các bộ thu phát gắn trên xe có khả năng điều khiển công suất để đảm bảo tỷ lệ lỗi bit BER ở đường phát lên (up link) là 10 -2 . - Máy di động gắn trên phương tiện vận tải có công suất ở mức 2 (8W), và máy di động cầm tay có công suất ở mức 4 (2W), độ lợi của anten là 0 dBi. - Số lượng các thuê bao di động nghiên cứu xem như được phân bố đều thành 2 loại : máy gắn trên xe và máy mang theo người. - Số lượng người sử dụng là phân bố đều trong vùng phủ sóng của trạm BTS. - Các bộ thu phát gắn trên xe được đặt trên 3 vòng tròn đồng tâm trong cell và được phân bố theo tỷ lệ của khoảng cách từ các bộ thu phát đến trạm gốc. - Số lượng thiết bị trợ thính (hearing aids) sử dụng tại vương quốc Anh là khoảng 1.5 triệu, ước tính vào khoảng 2.5% dân số. - Độ dài đàm thoại trung bình của mỗi cuộc gọi là 2 phút. 90 Tiểu luận môn học Đánh giá tác động của hệ thống GSM đến thiết bị hỗ trợ nghe 3. Đặc tính cell: 3.1 Quỹ đường truyền RF. Quỹ đường truyền được dựa trên Khuyến nghị GSM 03.30 của ETSI, như sau : Độ nhạy đầu vào Rx RF = NF (dB) + E c /N o (dB) + W – kT tại BS với BER 10 -2 (dBm) Với nhiễu nhiệt (thermal noise) kT = -174 dBm/Hz tại T = 290 o K tốc độ bit (bit rate) W = 10 log 270.833 kbps Tham số nhiễu (noise figure) NF = 8 dB Tỷ lệ tín hiệu/nhiễu E c /N o = 8 dB Vì vậy, độ nhạy đầu vào Rx RF tại trạm gốc = -104 dBm. Công suất đẳng hướng = Độ nhạy Rx + Biên nhiễu + suy hao cáp - Độ lợi anten Với Biên nhiễu = 3 dB Suy hao cáp = 4 dB Độ lợi anten = 12 dBi Vì vậy, công suất đẳng hướng = -109 dBm Tính đến suy hao phẳng (lognormal) (5dB) và dự trữ fading Rayleigh (10dB) thì mức tín hiệu tối thiểu được tạo ra cho 10 -2 BER = -94 dBm. 3.2 Công suất phát MS tối thiểu Công suất cần phát ra từ trạm di động để duy trì 10 -2 BER đường lên có thể xác định được theo đặc tính tổn hao đường truyền. Xét một Cell điển hình ở trung tâm London có bán kính 2 km và có BS đặt cao 2m trên mái nhà của một tòa nhà cao tầng, nằm giữa khu vực thành thị đông đúc và có cùng chiều cao so với chung quanh (60m). Với anten thu có chiều cao 2m và tần số 900 Mhz, tổn hao đường truyền có thể tính được từ phương trình (3.25) trong Ref.7 L path = 69.55 + 26.16 log f – 13.82 log h t – A(h τ ) + (44.9 - 6.55logh t )log d path (dB) 9 Tiểu luận môn học Đánh giá tác động của hệ thống GSM đến thiết bị hỗ trợ nghe Với f : tần số đơn vị tính MHz (900) h t : chiều cao anten phát (62m) d path : khoảng cách từ BS (km) và từ phương trình (3.27) trong Ref.7 ta có: A(h r ) = 3.2 (log(11.75 h τ )) 2 – 4.97 (dB) h r : chiều cao anten thu (2m) Phương trình trên đơn giản thành L path = 121 + 33 log d path (dB) Như vậy, một cell có thể được biểu thị bằng một vùng chắn (intercept) 1 km độ lợi 121 dB và tổn hao đường truyền có độ dốc γ=3.3. Theo đó, công suất phát tối thiểu cần thiết từ MS để duy trì BER=10 -2 sẽ là: 121 – 94 = 27 dBm (500 mW) với d path = 1 km 27 + 33 log 1.5 = 32.8 dBm (1.9 W) với d path = 1.5 km 27 + 33 log 2 = 36.9 dBm (4.9 W) với d path = 2 km Những công suất trên là công suất bức xạ hiệu dụng (ERP) của MS. 3.3 Vùng ảnh hưởng Phương trình tính khoảng cách nhiễu (interfering distance), d ist S = và S = Với S = mật độ công suất phát G = độ lợi anten E = cường độ trường Do đó, = 9/ Tiểu luận môn học Đánh giá tác động của hệ thống GSM đến thiết bị hỗ trợ nghe Tuy nhiên, từ việc tính tổn hao đường truyền dẫn đến kết quả công suất phát hiệu dụng ERP từ trạm di động nên ta có thể bỏ qua thông số độ lợi anten (G), nghĩa là G=1. Qua các thí nghiệm về nhiễu (interference) [Ref.5], người ta thấy rằng, mức nhiễu của hỗ trợ nghe (hearing aid susceptibility) trên thực tế là 4 V/m với cung 90 o và 10 V/m với 270 o còn lại như Hình 1. Hình 1. Gọi bán kính nhiễu ở 4 V/m là d 4 và ở 10 V/m là d 10 thì = = 1.875 P t và = = 0.3 P t như Hình 1. Do đó A 1 = = 1.47P t và A 2 = = 0.71P t Vì vậy A tổng = A 1 + A 2 = 2.18 P t (Phương trình 1 – Eq. 1) Hệ thống GSM có thể hoạt động với 3 site cơ sở (base site) trên mỗi cluster, và vì vậy, ngay cả khi thực hiện phân chia thành các sector (sectorization), toàn bộ 9[ A1 A2 1.875 Pt 0.3 Pt Tiểu luận môn học Đánh giá tác động của hệ thống GSM đến thiết bị hỗ trợ nghe quá trình cấp phát phổ sẽ được sử dụng lặp đi lặp lại bởi các nhóm site cơ sở này. Người ta xem như mỗi site cơ sở (BS) sẽ phủ một vùng hình tròn có bán kính 2km. Hệ thống GSM bắt đầu năm 1991 với việc cấp phát phổ kép (initial duplex spectrum allocation) 5MHz cho mỗi operator trên các băng tần TACS hiện tại. Điều này cho phép có 25 sóng mang 200 kHz, vì vậy sẽ có 25/3= 8 sóng mang cho một BS và 8 x 8 khe thời gian = 64 kênh vật lý trên một BS với mỗi nhà khai thác (operator) Giả sử rằng, không có nhiều hơn 8 khe thời gian rỗi cho việc truyền thông tin (traffic), thì 56 kênh vật lý sẽ cho phép duy trì tối đa 112 thuê bao. Do sự phát triển của hệ thống GSM, sự cấp phát TACS hiện tại sẽ được dần dần chuyển giao cho đến khi GSM chiếm toàn bộ 25MHz cấp phát cell. Mỗi operator vì thế sẽ có 12.5MHz hay 62 sóng mang 200kHz và vì vậy 62/3=21 sóng mang trên mỗi site cơ sở. Số sóng mang này cho phép có 21 x 8 = 168 kênh vật lý và vì vậy có 160 kênh dùng để truyền thông tin trên mỗi operator và tổng cộng là 320 kênh. 3.5 Xác suất tổng quát (overall probability) Người ta thấy rằng, cách tính toán gần đúng khá tốt đối với sự phân bố đều MS (máy di động) có thể đạt được bằng cách coi như các bộ phát được đặt trên ba hình tròn đồng tâm và phân bố theo tỉ lệ khoảng cách từ BS đến chúng, vì với 2 vòng tròn thì kết quả không chính xác, còn với 4 vòng thì kết quả ít thay đổi so với 3 vòng. Sử dụng cấp phát phổ 10MHz với toàn bộ dung lượng cell dẫn đến kết quả dưới đây: 112 x = 25 MS tại 1 km 112 x = 37 MS tại 1.5 km 112 x = 50 MS tại 2 km 9= Tiểu luận môn học Đánh giá tác động của hệ thống GSM đến thiết bị hỗ trợ nghe Diện tích bị ảnh hưởng xung quanh mỗi bộ phát từ phương trình 1 (Eq.1) là: 2.18 x 0.5 = 1.1 m 2 2.18 x 1.9 = 4.1 m 2 2.18 x 4.9 = 10.7 m 2 Tổng diện tích chịu ảnh hưởng từ MS là: 25 x 1.1 + 37 x 4.1 + 50 x 10.7 = 714.2 m 2 . Giả sử BS có công suất mức 4 - power class 4 - (40W), thì theo phương trình 1, sẽ có thêm một diện tích 87.2m 2 chung quanh BS bị ảnh hưởng nên tổng diện tích bị ảnh hưởng lên đến 801.4m 2 . Vì diện tích của một cell bán kính 2 km là (2000) 2 = 1.26x10 7 m 2 , nên tỉ lệ phần trăm diện tích bị ảnh hưởng là = 0.0064% Thay thế các số liệu cho hệ thống sử dụng toàn bộ tải 25 MHz thì tổng diện tích bị ảnh hưởng là 2123.4 m 2 hay 0.017%. 4. Các tình huống - Scenarios 4.1 Máy di động gắn trên xe 4.1.1 Xe và người đi bộ Một máy đầu cuối (MS) tại biên của cell bán kính 2 km đang phát với công suất 4.9W làm cho diện tích bị ảnh hưởng tăng lên 10.7 m 2 , tương đương với 1 vùng bị nhiễu có bán kính 1.8m. Giả sử khoảng cách giữa người đi trên vỉa hè và xe đi trên đường là 4m, người sử dụng thiết bị hỗ trợ nghe (the hearing aid user) sẽ không chịu nhiễu từ bộ phát. Ngay cả khi thiết bị hỗ trợ hướng phía nhạy cảm nhất (susceptibility) về phía đường, thì khoảng cách đến ô tô phải gần hơn 3m thì mới bị nhiễu. Người đi bộ trên vỉa hè không chắc sẽ bị nhiễu từ các xe trên đường. 9D [...]... dùng thiết bị hỗ trợ và yêu cầu được sử Trang 24 Tiểu luận môn học Đánh giá tác động của hệ thống GSM đến thiết bị hỗ trợ nghe dụng nó suốt ngày làm việc hay đi lại sẽ phải chịu nhiễu đều đặn hằng ngày khi hệ thống GSM phát triển xi Nếu tác động của nhiễu được xem là không thể chấp nhận, khả năng chống nhiễu của thiết bị hỗ trợ nghe tại tần số 900 MHz sẽ được đòi hỏi để giảm tác động của nhiễu GSM vì... Xác suất nhiễu chủ yếu từ điện thoại công cộng trên tàu Trang 23 Tiểu luận môn học iii Đánh giá tác động của hệ thống GSM đến thiết bị hỗ trợ nghe Người dùng thiết bị hỗ trợ nghe sẽ không thể sử dụng thiết bị cầm tay GSM hoặc bộ thu phát trên các phương tiện ở bất cứ mức công suất nào iv Người dùng thiết bị hỗ trợ nghe có thể dùng phương tiện có bộ thu phát với anten được gắn ở giữa nóc xe v Người ta... có tác động nhiễu xảy ra tại nhà ga Trang 19 Tiểu luận môn học Đánh giá tác động của hệ thống GSM đến thiết bị hỗ trợ nghe 7 x 3 giây nhiễu burst khi đi bộ trên đường 5.4 Kẹt xe trên đường Theo [Ref.10] cho thấy, một người dùng thiết bị hỗ trợ nghe đi trên lái xe trên xa lộ, với thiết bị trợ giúp hướng phần nhạy cảm nhất về phía đường, sẽ bị nhiễu nếu các phương tiện gần đó phát ra công suất phát GSM. .. 25MHz Trang 16 Tiểu luận môn học Đánh giá tác động của hệ thống GSM đến thiết bị hỗ trợ nghe Khi đi trên tàu, với hệ thống cấp phát 10MHz thì cứ 95 phút phải chịu nhiễu trong 2 phút, còn đối với hệ thống cấp phát 25MHz là 56 phút Khi ở ga, xác suất tác động của nhiễu là 0.00154 (10MHZ) và 0.0044 (25MHz) Giả sử chúng ta ở trên tàu trong 30 phút (1800s) và cuộc gọi kéo dài trong 2 phút thì: Thời gian nhiễu... (0.83m/s), thì sẽ mất 23 phút để di chuyển giữa các bộ phát Khi hệ thống chiếm 25 MHz, 1 trong 250 người có thiết bị cầm tay đang thực hiện phát, vì vậy cứ 400m thì có một bộ phát Với tốc độ 3km/h, người dùng thiết bị hỗ trợ sẽ mất 8 phút để di chuyển giữa các bộ phát Trang 14 Tiểu luận môn học Đánh giá tác động của hệ thống GSM đến thiết bị hỗ trợ nghe Nếu bộ phát công suất mức 4 (2W) thì bán kính nhiễu... tác động của hệ thống GSM đến thiết bị hỗ trợ nghe Người dùng thiết bị hỗ trợ nghe có thể tắt thiết bị một khoảng thời gian trong ngày khi không cần thiết phải giao tiếp bằng lời ii Người dùng có thể xác định các nguồn nhiễu và học cách tránh xa nguồn nhiễu này iii Các tình huống này chỉ ứng với khu vực địa bàn London iv Có xu hướng dùng vùng ngăn cách tự nhiên chung quanh người, sử dụng bộ thu phát thiết. .. luận môn học Đánh giá tác động của hệ thống GSM đến thiết bị hỗ trợ nghe 6.1.2 Thiết bị trên các phương tiện di chuyển Bộ thu phát của các phương tiện di chuyển có công suất mức 2, do đó sẽ phát công suất lớn nhất là 8W với bán kính nhiễu là 2.4 m, theo phương trình 1 Người vận hành của những bộ thu phát như vậy rõ ràng nằm trong bán kính này, do đó người dùng thiết bị hỗ trợ nghe sẽ chịu nhiễu khi... Tiểu luận môn học Đánh giá tác động của hệ thống GSM đến thiết bị hỗ trợ nghe 4.3.2 Văn phòng Người ta thấy rằng với 80 000 người trong cell bán kính 2km, và vì thế, với cell chịu tải 50% và cấp phát 10MHz, 28 trong số này (1 trong 2800) sẽ là thiết bị cầm tay GSM Một văn phòng điển hình có 1 người trong 10 m 2 và vì vậy một tòa nhà 10 tầng với 100 người trên mỗi tầng sẽ có 1000 người trong một diện tích... số thiết bị cầm tay trên tàu có thể giảm đáng kể nếu thiết bị hỗ trợ nghe không được đặt ở giữa tàu và nếu mật độ người đông gây ra sự suy hao đáng kể của tín hiệu phát 7 Kết luận i Những tình huống được trình bày trong tài liệu này đưa ra giả thuyết rằng tác động lớn nhất của nhiễu GSM là từ thiết bị cầm tay và từ các bộ thu phát của các phương tiện di chuyển vì thiết bị này được cầm vào các khu vực. .. anten trong các thiết bị cầm tay, theo phương trình 1 Trang 12 Tiểu luận môn học Đánh giá tác động của hệ thống GSM đến thiết bị hỗ trợ nghe Với diện tích của một đường tàu là 100m x 10m = 1000 m 2 và số đường tàu là 10 thì tổng diện tích đường tàu là 10 000 m 2 Nếu mỗi tàu có 10 toa, mỗi toa chở 100 hành khách, và tất cả tàu đều đến ga đồng thời vào giờ cao điểm thì sẽ có 1000 x 10 = 10 000 người đến . THÍCH ĐIỆN TỪ Đề tài: ĐÁNH GIÁ TÁC ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG GSM ĐẾN THIẾT BỊ HỖ TRỢ NGHE TRONG KHU VỰC ĐÔ THỊ Tiểu luận môn học Đánh giá tác động của hệ thống GSM đến thiết bị hỗ trợ nghe MỤC LỤC 1. Giới. luận môn học Đánh giá tác động của hệ thống GSM đến thiết bị hỗ trợ nghe Khi đi trên tàu, với hệ thống cấp phát 10MHz thì cứ 95 phút phải chịu nhiễu trong 2 phút, còn đối với hệ thống cấp phát. không có độ lợi anten trong các thiết bị cầm tay, theo phương trình 1. 9 Tiểu luận môn học Đánh giá tác động của hệ thống GSM đến thiết bị hỗ trợ nghe Với diện tích của một đường tàu là