Tối ưu hóa mạng di động GSM: Tính toán dung lượng và chất lượng phủ sóng

TÍNH TOÁN MẠNG DI ĐỘNG GSM

• Lý thuyết dung lượng và cấp độ dịch vụ
• Các yếu tố ảnh hưởng tới chất lượng phủ sóng

Vì người sử dụng truy cập kênh vô tuyến theo kiểu ngẫu nhên, nên không thể tránh khỏi những khoảng thời gian để trống kênh vô tuyến đó, do vậy kênh vô tuyến không đạt được dung lượng lý tưởng (1 Erl). Khi số người dùng tăng lên, số cuộc gọi đi qua kênh càng tăng, nên thông lượng tăng lên.Có thể xảy ra tình huống nhiều người dùng đồng thời truy cập một kênh vô tuyến, khi đó chỉ có một người được dùng kênh, những người khác bị tắc nghẽn. Mô hình mặt đất được trình bày trong hình 3.3 cho thấy tổng tín hiệu đến trong máy thu bao gồm thành phần đến trực tiếp cộng với thành phần phản xạ từ mặt đất (thành phần này có thể được coi như là tín hiệu gốc từ một anten ảo trong lòng đất).

Để giảm phần nào tác hại do Fading gây ra, người ta thường tăng công suất phát đủ lớn để tạo ra một lượng dự trữ Fading, sử dụng một số biện pháp như: phân tập anten, nhảy tần. Để chất lượng thoại luôn được đảm bảo thì mức thu của sóng mang mong muốn C (Carrier) phải lớn hơn tổng mức nhiễu đồng kênh I (Interference) và mức nhiễu kênh lân cận A (Adjacent). Giả sử rằng cả hai trạm đều phát với một công suất như nhau các đường truyền sóng cũng tương đương (hầu như cũng không khác nhau trong thực tế) và ở điểm giữa, máy di động có C/I bằng 0 dB, có nghĩa là cả hai tín hiệu có cường độ bằng nhau.

Với phương pháp thứ nhất: việc tăng cự ly sử dụng lại tần số D sẽ làm giảm can nhiễu kênh chung, tuy nhiên khi đó số cell trong mỗi mảng mẫu sẽ tăng, tương ứng với số kênh tần số dành cho mỗi cell sẽ giảm và như vậy thì dung lượng phục vụ sẽ giảm xuống. Khi sử dụng phương pháp truyền dẫn gián đoạn ta cần thêm các thiết bị phụ trợ khác như VAD (Voice Active Detector) để phát hiện tín hiệu vào và tạo ra tiếng ồn giả khi một phía nào đó ngừng cung cấp tín hiệu. Giả sử các tia phản xạ đến máy thu bên ngoài cửa sổ thời gian, tức là sau 15 ms, sẽ gây phiền phức cho hệ thống giống như là nhiễu.Ta đã biết giá trị tối thiểu của C/I trong hệ thống GSM là 9 dB.

Trong tất cả những trường hợp như vậy phân tán thời gian chỉ có thể xảy ra khi hiệu quãng đường giữa tín hiệu trực tiếp và tín hiệu phản xạ từ những chướng ngại vật kể trên lớn hơn cửa sổ cân bằng (4,5 km). Khi một MS gần BTS có thể nhận được tín hiệu phản xạ mạnh với hiệu quãng đường lớn nhưng vẫn không ảnh hưởng gì do tín hiệu trực tiếp mạnh để đảm bảo tỉ số C/R trên ngưỡng tới hạn. Tuy nhiên, một điều cần chú ý đó là tia phản xạ cũng là một phần của sóng mang cho nên việc quy hoạch một hệ thống cần phải chỉ ra được các trường hợp đặc thù có thể xảy ra hiện tượng giao thoa ký tự.

Chọn vị trí đặt BTS

Trường hợp này: Hiệu số quãng đường vẫn còn khá lớn nên các tín hiệu phản xạ nằm ngoài cửa sổ thời gian. Trong khi tín hiệu đến trực tiếp đã yếu đi, tín hiệu phản xạ mạnh hơn. Đõy là trường hợp nguy hiểm nhất, hiện tượng phõn tỏn thời gian biểu hiện rừ ràng nhất.

Trường hợp này: Tín hiệu phản xạ mạnh gần như tín hiệu trực tiếp, tỉ số C/R gần hoặc dưới ngưỡng. Nhưng do hiệu quãng đường nhỏ nằm trong cửa sổ cân bằng, hay các tín hiệu phản xạ nằm trong cửa sổ thời gian, nên trường hợp này không bị ảnh hưởng bởi phân tán thời gian. • Chuyển hướng anten của BTS ra khỏi phía vật chướng ngại gây phản xạ nếu BTS được đặt xa nó.

THIẾT KẾ HỆ THỐNG

• Quy hoạch Cell

Lấy ví dụ, bằng cách phân chia một vùng trung tâm thành 100 vùng nhỏ hơn (các tế bào), mỗi cell sử dụng một máy phát công suất thấp với khả năng cung cấp 12 kênh thoại cho mỗi máy. Khi đó năng lực của hệ thống về lý thuyết có thể tăng từ 12 kênh thoại sử dụng một máy phát công suất lớn lên đến 1200 kênh thoại bằng cách sử dụng 100 máy phát công suất thấp. Hệ thống được triển khai trên vùng có bán kính 1 Km có thể cung cấp số kênh lớn hơn gấp 100 lần so với hệ thống triển khai trên vùng có bán kính 10 Km.

Khái niệm cell (tế bào) được sử dụng với các mức công suất thấp khác nhau, nó cho phép các cell (các tế bào) có thể thay đổi vùng phủ sóng tuỳ theo mật độ, nhu cầu của thuê bao trong một vùng nhất định. Tần số ở cell này có thể được tái sử dụng ở cell khác, các cuộc điện thoại vẫn được duy trì liên tục khi thuê bao di chuyển từ cell này sang cell khác. Việc quy hoạch vùng phủ sóng cần quan tâm đến các yếu tố địa hình và mật độ thuê bao, từ đó xác định số lượng trạm gốc BTS, kích thước cell và phương thức phủ sóng thích hợp.

Có hai loại anten thường được sử dụng: anten vô hướng (omni) là anten phát đẳng hướng, và anten có hướng là anten bức xạ năng lượng tập trung trong một rẻ quạt (sector). Nhu cầu lưu lượng cũng như mật độ thuê bao sử dụng giữa các vùng nông thôn và thành thị có sự khác nhau nên đòi hỏi cấu trúc mạng ở các vùng đó cũng khác nhau. Các nhà quy hoạch sử dụng khái niệm cells splitting để phân chia một khu vực có mật độ thuê bao cao, lưu lượng lớn thành nhiều vùng nhỏ hơn để cung cấp tốt hơn các dịch vụ mạng.

Ví dụ các thành phố lớn được phân chia thành các vùng địa lý nhỏ hơn với các cell có mức độ phủ sóng hẹp nhằm cung cấp chất lượng dịch vụ cũng như lưu lượng sử dụng cao, trong khi khu vực nông thôn nên sử dụng các cell có vùng phủ sóng lớn, tương ứng với nó số lượng cell sẽ sử dụng ít hơn để đáp ứng cho lưu lượng thấp và số người dùng với mật độ thấp hơn.

Giai đoạn 1 (Phase 1): Sector hóa

• Quy hoạch tần số

Khi đó, tại mỗi vị trí cũ (Site) bây giờ có thể phục vụ được 3 cell mới, những cell này nhỏ hơn và có 3 anten định hướng được đặt ở vị trí này, góc giữa các anten này là 1200. Tuy nhiên, biện pháp này cũng có một số hạn chế bởi kích thước cell cũng có giới hạn (giới hạn trên là do công suất bức xạ của BTS và MS có hạn, giới hạn dưới là do vấn đề nhiễu). Đồng thời việc lắp đặt các vị trí trạm mới đòi hỏi kinh phí lớn, việc khảo sát để chọn được những vị trí thích hợp cũng gặp nhiều khó khăn (nhà trạm đặt thiết bị, xây dựng cột anten, mạng điện lưới thuận tiện..).

Để giải quyết vấn đề dung lượng ở những khu vực có mật độ rất cao mà các biện pháp trên không giải quyết được, thì việc sử dụng các “minicell” và các. Hiện nay, tại Việt Nam đang có 3 nhà cung cấp dịch vụ di động GSM đó là Vinaphone, Mobiphone, Viettel, cùng đồng thời hoạt động, nên dải tần số hạn hẹp phải chia sẻ đều cho cả 3 mạng. Việc quy hoạch tần số, ta phải sắp xếp thích hợp các tần số vô tuyến vào một mảng mẫu sao cho các mảng mẫu sử dụng lại tần số mà không bị nhiễu quá mức.

Ta biết rằng sử dụng lại tần số ở các cell khác nhau thì bị giới hạn bởi nhiễu đồng kênh C/I giữa các cell đó nên C/I sẽ là một vấn đề chính cần được quan tâm. Vì vậy, việc giảm số lượng các nhóm tần số sẽ cho phép mỗi đài trạm tăng lưu lượng nhờ đó sẽ giảm số lượng các đài trạm cần thiết cho tải lưu lượng định trước. Tỉ số C/A cũng là một tỉ số quan trọng và người ta cũng dựa vào tỉ số này để đảm bảo rằng việc ấn định tần số sao cho các sóng mang liền nhau không nên được sử dụng ở các cell cạnh nhau về mặt địa lý.

Điều này chứng tỏ rằng tỉ số C/A đối với các máy di động hoạt động ở biên giới giữa hai cell A1 và C3 là 0dB, đây là mức nhiễu cao mặc dù tỉ số này là lớn hơn tỉ số chuẩn của GSM là (- 9 dB).