Cell (tế bào hay ụ): Là đơn vị cơ sở của mạng, tại đú trạm di động MS tiến hành trao đổi thụng tin với mạng qua trạm thu phỏt vụ tuyến gốc BTS. BTS trao đổi thụng tin qua súng vụ tuyến với tất cả cỏc trạm di động MS cú mặt trong cell.
- 32 -
Hỡnh 2.3 Khỏi niệm Cell
Hỡnh dạng lý thuyết của cell là một ụ tổ ong hỡnh lục giỏc
Hỡnh 2.4 Khỏi niệm về biờn giới của một cell
Trờn thực tế, hỡnh dạng của cell là khụng xỏc định. Việc quy hoạch vựng phủ súng cần quan tõm đến cỏc yếu tố địa hỡnh và mật độ thuờ bao, từ đú xỏc định số lượng trạm vụ tuyến BTS, kớch thước cell và phương thức phủ súng thớch hợp.
2.3.2. Kớch thƣớc cell và phƣơng thức phủ súng
2.3.2.1. Kớch thƣớc cell
Cell lớn: Bỏn kớnh phủ súng khoảng: n km - n * 10 km (GSM: 35 km) Vị trớ thiết kế cỏc cell lớn:
- Súng vụ tuyến ớt bị che khuất (vựng nụng thụn, ven biển… ) - Mật độ thuờ bao thấp.
- Yờu cầu cụng suất phỏt lớn.
Cell nhỏ: Bỏn kớnh phủ súng khoảng: n * 100 m. (GSM: 1 km) Vị trớ thiết kế cỏc cell nhỏ:
- 33 - - Mật độ thuờ bao cao.
- Yờu cầu cụng suất phỏt nhỏ.
Cú tất cả bốn kớch thước cell trong mạng GSM đú là macro, micro, pico và umbrella. Vựng phủ súng của mỗi cell phụ thuộc nhiều vào mụi trường.
Macro cell: Được lắp trờn cột cao hoặc trờn cỏc toà nhà cao tầng. Micro cell: Lại được lắp ở cỏc khu đụ thị, khu dõn cư.
Pico cell: Thỡ tầm phủ súng chỉ khoảng vài chục một trở lại nú thường được lắp để tiếp súng trong nhà.
Umbrella: Lắp bổ sung vào cỏc vựng bị che khuất hay cỏc vựng trống giữa cỏc cell.
Bỏn kớnh phủ súng của một cell tuỳ thuộc vào độ cao của anten, độ lợi anten và gúc ngẩng. Thường thỡ nú cú thể từ vài trăm một tới vài chục km. Trong thực tế thỡ khả năng phủ súng xa nhất của một trạm GSM là 32 km (22 dặm).
Một số khu vực trong nhà mà cỏc anten ngoài trời khụng thể phủ súng tới như nhà ga, sõn bay, siờu thị... thỡ người ta sẽ dựng cỏc trạm pico để chuyển tiếp súng từ cỏc anten ngoài trời vào.
2.3.2.2. Phƣơng thức phủ súng
Hỡnh dạng của cell trong mỗi một sơ đồ chuẩn phụ thuộc vào kiểu anten và cụng suất bức xạ của nú. Cú hai loại anten thường được sử dụng: anten đẳng hướng (omni) là anten phỏt theo tất cả cỏc hướng tạo thành một vựng phủ súng dạng hỡnh trũn, và anten định hướng là anten bức xạ năng lượng tập trung trong một dải quạt (sector).
Phỏt súng đẳng hƣớng (Omni directional)
Anten đẳng hướng bức xạ năng lượng đều theo mọi hướng.
Hỡnh 2.5 Omni cell (3600) site
Khỏi niệm Site: Site được định nghĩa là vị trớ đặt trạm BTS. Với Anten đẳng hướng: 1 Site = 1 Cell 3600
Phỏt súng định hƣớng (Sectorization)
Lợi ớch của sectorization (sector húa):
- Cải thiện chất lượng tớn hiệu (giảm can nhiễu kờnh chung). - Tăng dung lượng thuờ bao.
- 34 -
Hỡnh 2.6 Sector húa 1200
Với anten định hướng 1200
: 1 Site = 3 Cell 1200
2.3.3. Chia cell (Cell Splitting)
Một cell với kớch thước càng nhỏ thỡ mật độ phõn bố năng lượng càng lớn. Tuy nhiờn, kớch thước nhỏ đi cú nghĩa là cần phải cú nhiều trạm gốc hơn và như thế chi phớ cho hệ thống lắp đặt trạm cũng cao hơn.
Khi hệ thống bắt đầu được sử dụng số thuờ bao cũn thấp, để tối ưu thỡ kớch thước cell phải lớn. Nhưng khi dung lượng hệ thống tăng thỡ kớch thước cell cũng phải giảm đi để đỏp ứng với dung lượng mới. Phương phỏp này gọi là chia cell.
Tuy nhiờn, sẽ khụng thực tế khi người ta chia nhỏ toàn bộ cỏc hệ thống ra cỏc vựng nhỏ hơn nữa, và tương ứng với nú là cỏc cell. Nhu cầu lưu lượng cũng như mật độ thuờ bao sử dụng giữa cỏc vựng nụng thụn và thành thị cú sự khỏc nhau nờn đũi hỏi cấu trỳc mạng ở cỏc vựng đú cũng khỏc nhau.
Cỏc nhà quy hoạch sử dụng khỏi niệm cell splitting để phõn chia một khu vực cú mật độ thuờ bao cao, lưu lượng lớn thành nhiều vựng nhỏ hơn để cung cấp tốt hơn cỏc dịch vụ mạng. Vớ dụ cỏc thành phố lớn được phõn chia thành cỏc vựng địa lý nhỏ hơn với cỏc cell cú mức độ phủ súng hẹp nhằm cung cấp chất lượng dịch vụ cũng như lưu lượng sử dụng cao, trong khi khu vực nụng thụn nờn sử dụng cỏc cell cú vựng phủ súng lớn, tương ứng với nú số lượng cell sẽ sử dụng ớt hơn để đỏp ứng cho lưu lượng thấp và số người dựng với mật độ thấp hơn.
- 35 -
Đứng trờn quan điểm kinh tế, việc hoạch định cell phải bảo đảm lưu lượng hệ thống khi số thuờ bao tăng lờn, đồng thời chi phớ phải thấp nhất. Thực hiện được điều này thỡ yờu cầu phải tận dụng được cơ sở hạ tầng của trạm cũ. Để đỏp ứng được yờu cầu này, người ta sử dụng phương phỏp giảm kớch thước cell gọi là tỏch cell (cell splitting).Theo phương phỏp này việc hoạch định được chia thành cỏc giai đoạn sau:
2.3.3.1. Phase 0
Khi mạng lưới mới được thiết lập, lưu lượng cũn thấp, số lượng trạm cũn ớt, mạng thường sử dụng cỏc “omni cell” với cỏc anten đẳng hướng, phạm vi phủ súng rộng.
Hỡnh 2.8 Cỏc Omni cell ban đầu
Khi mạng được mở rộng, dung lượng sẽ tăng lờn, để đỏp ứng được điều này phải dựng nhiều súng mang hơn hoặc sử dụng lại những súng mang đó cú một cỏch thường xuyờn hơn.
Tuy nhiờn, mọi sự thay đổi trong quy hoạch cấu trỳc tần số phải gắn liền với việc quan tõm tới tỷ số C/I. Cỏc tần số khụng thể được ấn định một cỏch ngẫu nhiờn cho cỏc cell. Để thực hiện được điều này, phương phỏp phổ biến là chia cell theo thứ tự.
2.3.3.2. Phase 1: Sector húa
Thay anten đẳng hướng (omni) bằng 3 anten riờng biệt định hướng dải quạt 1200 là một giải phỏp tỏch chia một cell thành 3 cell. Đú là giải phỏp sector húa (sectorization). Cỏch làm này khụng đũi hỏi thờm mặt bằng cho cỏc cell mới. Tuy cỏc cell mới phõn biệt nhau theo chức năng mạng nhưng chỳng vẫn ở tại mặt bằng cũ.
Khi đú, tại mỗi vị trớ cũ (site) bõy giờ cú thể phục vụ được 3 cell mới, những cell này nhỏ hơn và cú 3 anten định hướng được đặt ở vị trớ này, gúc giữa cỏc anten này là 1200.
- 36 -
Hỡnh 2.9 Giai đoạn 1: Sector húa
2.3.3.3. Phase 2: Tỏch chia nhỏ hơn nữa về sau
Tỏch chia cell 1:3 thờm lần nữa
Hỡnh 2.10 trỡnh bày việc tỏch chia 3 thờm lần nữa. Lần tỏch này sử dụng lại mặt bằng cũ và thờm mới gấp đụi mặt bằng mới cho cỏc BTS mới.
Ở mặt bằng cũ, anten cần quay đi 300
ngược chiều kim đồng hồ. Như vậy tổng số mặt bằng gấp 3 lần mặt bằng cũ để trả giỏ cho sự tăng dung lượng mạng lờn gấp 3 lần.
- 37 -
Hỡnh 2.10 Tỏch chia 1:3 thờm lần nữa
Tỏch chia 1:4 (sau lần đầu chia 3)
- 38 -
Sự tỏch chia này khụng đũi hỏi xoay hướng anten ở tất cả cỏc BTS cú mặt bằng cũ. Vị trớ BTS mặt bằng mới được biểu thị trờn hỡnh vẽ 2.11.
Số lần sử dụng lại tần số, dung lượng hệ thống và số lượng mặt bằng BTS đều tăng 4 lần so với trước khi chia tỏch.
Tựy theo yờu cầu về dung lượng hệ thống, việc chia cell cú thể được thực hiện tiếp tục. Tuy nhiờn, mọi sự thay đổi trong quy hoạch cấu trỳc tần số phải gắn liền với việc quan tõm tới tỷ số nhiễu C/I.
Bõy giờ ta hóy xột một vớ dụ để thấy được khi tăng dung lượng và thu hẹp kớch thước cell. Giả thiết rằng hệ thống cú 24 tần số và chỳng ta bắt đầu từ một cụm 7 cell cú bỏn kớnh cực đại 14 km. Sau đú chỳng ta thực hiện cỏc giai đoạn tỏch 3 và tỏch 4.
Cũng giả thiết rằng một thuờ bao cú lưu lượng 0,02 Erlang với cấp độ phục vụ GoS = 5%. Với 24 tần số, nghĩa là số kờnh logic của hệ thống sẽ là:
24 x 8 = 192 kờnh
Trong giai đoạn thứ nhất, khi một cụm (số nhúm tần số) là N = 7, thỡ số kờnh lưu lượng TCH cho mỗi cell là:
(192 - 2 x7 )/7 = 178/7 = 25 TCH
Trong giai đoạn tiếp theo, khi một cụm cú N = 21. Số kờnh lưu lượng cho mỗi cell là:
(192 - 21)/21 = 171/21 = 8 TCH
Trong giai đoạn thứ nhất, ta phải sử dụng 2 kờnh cho việc điều khiển. Trong cỏc giai đoạn tiếp theo ta chỉ cần dành 1 kờnh cho việc điều khiển là đủ.
Căn cứ bảng Erlang ta sẽ cú Bảng 2.1 sau.
Bảng 2.1 Thống kờ về mật độ lưu lượng qua cỏc bước tỏch cell
Giai đoạn Bỏn kớnh ụ N TCH mỗi ụ Phạm vi ụ Số thuờ bao/ụ Số thuờ bao/km2 Hiệu quả trung kế 0 14 km 7 25 499,2 km2 999 2,0 76% 1 8 km 21 8 166,4 km2 227 1,4 54% 2 4 km 21 8 41,6 km2 227 5,5 54% 3 2 km 21 8 10,4 km2 227 21,8 54%
Từ bảng ta thấy, trong lần tỏch thứ nhất, dung lượng bị giảm (số thuờ bao trờn 1 km2 giảm từ 2 xuống cũn 1,4) là do hiệu suất trung kế bị giảm khi số kờnh trờn một cell ớt đi. Tuy nhiờn, đõy là một bước khụng thể thiếu được để thực hiện cỏc bước tiếp theo. Đối với cỏc bước tiếp theo là qui trỡnh tỏch 4, bỏn kớnh cell giảm 2 lần, nhưng dung lượng tăng 4 lần.
Như vậy, ta thấy rằng biện phỏp “cell split” làm giảm kớch thước của cell nhưng cũng làm tăng dung lượng hệ thống. Biện phỏp này phải được ỏp dụng theo từng giai đoạn phỏt triển của mạng. Tuy nhiờn, biện phỏp này cũng cú một số hạn chế bởi kớch thước cell cũng cú giới hạn (giới hạn trờn là do cụng suất phỏt của BTS và MS cú hạn, giới hạn dưới là do vấn đề nhiễu). Đồng thời việc lắp đặt cỏc vị trớ trạm mới đũi hỏi
- 39 -
kinh phớ lớn, việc khảo sỏt để chọn được những vị trớ thớch hợp cũng gặp nhiều khú khăn (nhà trạm đặt thiết bị, xõy dựng cột anten, mạng điện lưới thuận tiện...)
Để giải quyết vấn đề dung lượng ở những khu vực cú mật độ rất cao mà cỏc biện phỏp trờn khụng giải quyết được thỡ việc sử dụng cỏc minicell và cỏc microcell sẽ trở nờn phổ biến với phạm vi phủ súng nhỏ, cụng suất phỏt của BTS (thường là cỏc trạm Repeater) thấp.
2.4. Quy hoạch tần số
Tại Việt Nam và nhiều nước trờn thế giới hiện đang sử dụng hai băng tần số, đú là băng GSM 900 và GSM 1800.
Một số quốc gia ở Chõu Mỹ thỡ sử dụng băng 850 MHz và 1900 MHz do băng 900 MHz và 1800 MHz ở đõy đó được sử dụng trước đú.
Dải tần số dựng cho GSM 900 là 890 - 960 MHz; gồm 124 tần số súng mang với mỗi hướng:
Uplink: 890 - 915 MHz và Downlink: 935 - 960 MHz.
Dải tần số dựng cho GSM 1800 là 1710 - 1880 MHz; gồm 374 tần số súng mang với mỗi hướng:
Uplink: 1710 - 1785 MHz và Downlink: 1805 - 1880 MHz.
Hiện nay, tại Việt Nam cú 3 nhà cung cấp dịch vụ di động GSM đú là Vinaphone, Mobifone và Viettel đồng thời hoạt động nờn dải tần số hạn hẹp phải chia sẻ đều cho cả 3 mạng như sau:
Bảng 2.2 Phõn chia tần số cho 3 nhà cung cấp dịch vụ GSM tại Việt Nam
Băng tần Nhà cung cấp Uplink (MHz) Downlink (MHz) ARFCN
GSM 900 Vinaphone 890,0 - 898,2 935,0 - 943,2 1 - 41 Viettel 898,4 - 906,6 943,4 - 951,6 43 - 82 VMS 906,8 - 915, 0 951,8 - 960,0 84 -124 GSM 1800 Vinaphone 1710 - 1730 1805 - 1825 515 - 578 Viettel 1730 - 1750 1825 - 1845 580 - 643 VMS 1750 - 1770 1845 - 1865 645 - 708
Tài nguyờn tần số cú hạn trong khi số lượng thuờ bao thỡ ngày càng tăng lờn, nờn việc sử dụng lại tần số là điều tất yếu. Tuy nhiờn, khi sử dụng lại tần số thỡ vấn đề nhiễu đồng kờnh xuất hiện. Do đú cần cú sự hoạch định tần số tốt để tối thiểu húa ảnh hưởng của nhiễu tới chất lượng của hệ thống.
2.4.1. Tỏi sử dụng lại tần số
Một hệ thống tổ ong là dựa trờn việc sử dụng lại tần số. Nguyờn lý cơ bản khi thiết kế hệ thống tổ ong là cỏc mẫu sử dụng lại tần số. Theo định nghĩa sử dụng lại tần
- 40 -
số là việc sử dụng cỏc kờnh vụ tuyến ở cựng một tần súng mang để phủ súng cho cỏc vựng địa lý khỏc nhau. Cỏc vựng này phải cỏch nhau một cự ly đủ lớn để mọi nhiễu giao thoa đồng kờnh (cú thể xảy ra) chấp nhận được. Tỷ số súng mang trờn nhiễu C/I phụ thuộc vào vị trớ tức thời của thuờ bao di động do địa hỡnh khụng đồng nhất, số lượng và kiểu tỏn xạ.
Mảng mẫu (Cluster)
Cluster là một nhúm cỏc cell. Cỏc kờnh khụng được tỏi sử dụng tần số trong một cluster.
Nhà khai thỏc mạng được cấp giấy phộp sử dụng một số cú hạn cỏc tần số vụ tuyến. Việc quy hoạch tần số, ta phải sắp xếp thớch hợp cỏc tần số vụ tuyến vào một mảng mẫu sao cho cỏc mảng mẫu sử dụng lại tần số mà khụng bị nhiễu quỏ mức.
Hỡnh 2.12 mụ tả vựng phủ súng bằng mảng mẫu gồm 7 cell đơn giản.
Hỡnh 2.12 Mảng mẫu gồm 7 cell
Cự ly dựng lại tần số
Ta biết rằng sử dụng lại tần số ở cỏc cell khỏc nhau thỡ bị giới hạn bởi nhiễu đồng kờnh C/I giữa cỏc cell đú nờn C/I sẽ là một vấn đề chớnh cần được quan tõm.
Dễ dàng thấy rằng, với một kớch thước cell nhất định, khoảng cỏch sử dụng lại tần số phụ thuộc vào số nhúm tần số N. Nếu N càng lớn, khoảng cỏch sử dụng lại tần số càng lớn và ngược lại.
Ta cú cụng thức tớnh khoảng cỏch sử dụng lại tần số [3]: D = R* 3*N (2.1) (trong đú: R là bỏn kớnh cell)
- 41 -
Hỡnh 2.13 Khoảng cỏch tỏi sử dụng tần số
Tớnh toỏn C/I
Đồng thời ta cú cụng thức tớnh tỷ số C/I như sau:
Hỡnh 2.14 Sơ đồ tớnh C/I
P là vị trớ của MS thuộc cell A, chịu ảnh hưởng nhiễu kờnh chung từ cell B là lớn nhất. Tại vị trớ P (vị trớ mỏy di động MS) cú: C..Rγ = I ..(D-R)γ I C = R R D ) ( = 1 R D = ( 3.N -1)γ (2.2)
Trong đú: γ là hệ số suy giảm (hay độ dốc đường dự bỏo suy hao [dB/dec]), phổ biến nằm trong khoảng từ 3 đến 4 đối với hầu hết cỏc mụi trường.
(dB)
I C
- 42 -
Bảng 2.3 Quan hệ giữa N và tỷ số C/I
Số cell (N) Kớch thước mảng Tỷ số C/I (dB) Hệ số γ 3,0 3,5 4,0 3 9,0 10,5 12,0 4 11,7 13,7 15,6 7 16,6 19,4 22,2 9 18,7 21,8 24,9 12 21,0 24,5 28,0 21 25,2 29,4 33,6 Để xỏc định vị trớ của cỏc cell đồng kờnh ta sử dụng cụng thức:
N = i2 + i.j + j2. (i, j: nguyờn) (2.4)
Theo cụng thức này: di chuyển từ cell thứ nhất đi i cell theo một hướng, sau đú quay đi 600
và di chuyển đi j cell theo hướng này. Hai cell đầu và cuối của quỏ trỡnh di chuyển này là hai cell đồng kờnh.
Phõn bố tỷ số C/I cần thiết để hệ thống cú thể xỏc định số nhúm tần số N mà ta cú thể sử dụng. Nếu toàn bộ số kờnh quy định được chia thành N nhúm thỡ mỗi nhúm sẽ chứa (/N) kờnh. Vỡ tổng số kờnh là cố định nờn số nhúm tần số N nhỏ hơn sẽ dẫn đến nhiều kờnh hơn ở một nhúm và một vài trạm. Vỡ vậy, việc giảm số lượng cỏc nhúm tần số sẽ cho phộp mỗi trạm tăng lưu lượng nhờ đú sẽ giảm số lượng cỏc trạm cần thiết cho tải lưu lượng định trước.
2.4.2. Cỏc mẫu tỏi sử dụng tần số