Việc tính toán quỹ đường truyền có thể được định nghĩa một cách đơn giản là việc tính toán tất cả các tổn hao cũng như tăng ích của tất cả các phần tử trong liên kết truyền tin. Nó sẽ tính toán vùng phủ và dung lượng hệ thống bằng cách xem xét và phân tích tất cả các loại nhân tố ảnh hưởng trong đường truyền của cả tín hiệu hướng lên và hướng xuống, sau đó sẽ thu được tổn hao đường truyền lớn nhất cho phép của liên kết đối với một số lượng cuộc gọi cho phép nào đó.
Noise figure Cable losses Soft handover gain, antenna gain Building Penetration loss Body loss
3.1.1.1 Công suất phát của BS
Trong hệ thống WCDMA, công suất phát của BS là một tham số hệ thống, nó khác nhau đối với các dịch vụ riêng biệt. Nó được quyết định để phù hợp với từng loại dịch vụ và vùng phủ của dịch vụ. Công suất phát tối đa của BS là 43 dBm (20W). Trong đó, công suất của kênh riêng (DCH–Dedicated Channel) được tính toán là vảo khoảng 80% công suất tổng.
3.1.1.2 Công suất phát của thiết bị người dùng UE
Bảng 3-1 thể hiện công suất phát tối đa cho mỗi lớp UE và dung sai cho phép tương ứng. Một thiết bị UE thoại (ví dụ thiết bị cầm tay) thường thuộc lớp 3 hoặc lớp 4. Trong khi đó, một thiết bị UE dữ liệu (card dữ liệu) thường là lớp 3. Nếu trong mạng sử dụng phối hợp nhiều lớp UE, thì quỹ đường truyền nên được sử dụng với lớp cao nhất (công suất phát tối đa thấp nhất). Trong một số trường hợp tính toán, ta có thể sử dụng mức công suất phát thấp nhất có thể đối với lớp đó, có tính đến cả dung sai, ví dụ như là 19dBm đối với UE lớp 4. Hiện tại, ta sử dụng 21 dBm để tính toán cho mạng WCDMA và 24 dBm khi tính toán đối với HSDPA.
Bảng 3-1 Các lớp công suất của UE
Lớp công suất Công suất phát tối đa Sai số
1 +33 dBm +1/-3 dB
2 +27 dBm +1/-3 dB
3 +24 dBm +1/-3 dB
4 +21 dBm +2/-2 dB
3.1.1.3 Tăng ích ănten BS
Trong quá trình tính toán quỹ đường truyền, ta giả sử rằng tăng ích của anten định hướng của BS là 17 dBi và tăng ích ănten thu đẳng hướng là 11 dBi. Trong thực tế, các loại ănten khác nhau có thể được lựa chọn để phù hợp với các vùng và các yêu cầu vùng phủ khác nhau.
3.1.1.4 Tăng ích ănten UE
3.1.1.5 Suy hao cáp feeder
Trong tính toán quỹ đường truyền, ta công nhận một số các giả thiết sau:
- Đối với một feeder dài 30-40 mét, tổng suy hao cáp feeder (bao gồm cả suy hao đầu bộ nối) là 4 dB.
- Đối với một feeder dài 40-50 mét, tổng suy hao là 5 dB
Sự suy hao của feeder có thể làm giảm mức thu và làm nhỏ lại bán kính phủ sóng của BS. Vì vậy, các bộ khuếch đại phát có thể được sử dụng hạn chế ảnh hưởng của sự suy hao feeder.
3.1.1.6 Tăng ích xử lý
Hệ số tăng ích xử lý có thể được tính theo công thức PG = W/R, trong đó PG là hệ số tăng ích xử lý, W là tốc độ chip và R là tốc độ bit. Các dịch vụ khác nhau sẽ có các tăng ích xử lý không giống nhau. Khi đó, bán kính vùng phủ dịch vụ đối với các dịch vụ khác nhau cũng khác nhau.
384 kbps 128 kbps 64 kbps
Hình 3-2 Tăng ích xử lý đối với cách dịch vụ khác nhau
3.1.1.7 Tỷ số Eb/No
Eb chỉ ra mức năng lượng tín hiệu trên từng bit, và được định nghĩa qua công thức Eb = S/R, trong đó S là mức năng lượng tín hiệu và R là tốc độ bit của dịch vụ.
No chỉ ra mật độ phổ công suất tạp âm, được định nghĩa bằng công thức No = N/W, trong đó W là độ rộng băng thông (trong WCDMA chính là tốc độ chip và có giá trị là 3.84M) và N là tạp âm (tổng công suất thu loại trừ công suất của tín hiệu cần thu).
𝐸𝑏
𝑁𝑜= 𝑆𝑅∗𝑊𝑁 =𝑁𝑆 ∗𝑊𝑅 =𝑁𝑆∗ 𝑃𝐺 (3.1)
Tỷ số Eb/No bị ảnh hưởng bởi loại dịch vụ, tốc độ chuyển động, các thuật toán mã hóa và giải mã, sự phân tập của ănten, điều khiển công suất và môi trường đa đường. Trong tiêu chuẩn của 3GPP, các giá trị của Eb/No yêu cầu cho một số trường hợp được chỉ ra như trong bảng 3-2, 3-3
Bảng 3-2 Giá trị Eb/No yêu cầu trong môi trường đường truyền tĩnh
Tốc độ kênh (kbit/s) Tỷ lệ lỗi khối yêu cầu Giá trị khuyến nghị của 3GPP
12.2 < 10−1 n.a < 10−2 5.1 dB 64 < 10−1 1.5 dB < 10−2 1.7 dB 144 < 10−1 0.8 dB < 10−2 0.9 dB 384 < 10−1 0.9 dB < 10−2 1.0 dB
Bảng 3-3 Giá trị Eb/No yêu cầu trong điều kiện truyền dẫn đa đường
Tốc độ kênh (kbit/s) Tỷ lệ lỗi khối yêu cầu Giá trị khuyến nghị của 3GPP
12.2 < 10−1 n.a < 10−2 11.9 dB 64 < 10−1 6.2 dB < 10−2 9.2 dB 144 < 10−1 5.4 dB < 10−2 8.4 dB 384 < 10−1 5.8 dB
< 10−2 8.8 dB
3.1.1.8 Dự trữ nhiễu (dự trữ tải)
Dự trữ nhiễu được tính theo công thức −10lg (1− 𝜂), trong đó 𝜂 là giá trị tải của ô cần tính. Giá trị này thường vào khoảng từ 1 đến 3 dB tương ứng với tải vào khoảng 20 đến 50% đối với hướng lên.
20 10 6 1.25 3 25% 50% 75% 99% IMargin[dB] Load factor η
Hình 3-3 Sự phụ thuộc của dự trữ nhiễu với tải của ô
Đối với hướng xuống, vẫn tồn tại mối quan hệ giữa tải và nhiễu. Tuy nhiên, việc tính toán mang tính lý thuyết khá khó khăn nên mức dự trữ nhiễu hướng xuống sẽ được quyết định thông qua sự mô phỏng.
3.1.1.9 Tạp âm nhiệt
Nền tạp âm nhiệt ảnh hưởng trực tiếp đến độ nhạy thu và được tính toán theo công thức sau: Noice = KTW (Wat), trong đó K là hằng số Boltzmann (1.38∗
10−23J/K), T là nhiệt độ Kelvin và W là tốc độ chip (3.84 M).
Khi sử dụng dBm làm đơn vị tính toán thì công thức tính tạp âm nhiệt sẽ trở thành như sau: Noise = 10lg(KT) + 10lg(W), trong đó 10lg(KT) thể hiện mật độ tạp âm nhiệt (dBM/Hz). Trong điều kiện nhiệt độ bình thường (T-290 K) thì tạp âm nhiệt sẽ có giá trị là -174 dBm.
Mật độ phổ tạp âm là như nhau tại các điểm tần số cố định bởi vì băng thông tạp âm lớn hơn nhiều so với băng thông của hệ thống. Do đó, công suất tạp âm tạo ra bởi nguồn tạp âm nhiệt là như nhau trên từng đơn vị băng thông.
3.1.1.10Hệ số tạp âm
Hệ số tạp âm của bộ thu cho biết tạp âm mà bộ thu tạo ra trong quá trình xử lý tín hiệu. Trong quá trình tính toán quỹ đường truyền, hệ số tạp âm đối với BS là 2.2 dB và đối với MS là 5 dB.
3.1.1.11Độ nhạy máy thu
Độ nhạy máy thu BS chỉ ra mức thu tối thiểu yêu cầu để đảm bảo được các tiêu chuẩn chất lượng đặt ra sau khi giải mã tín hiệu. Độ nhạy máy thu được tính theo công thức như sau:
S(dBm) = Eb/No (dB) + N (dBm) – 10lg(W/R) (3.2)
Trong đó, N là tạp âm tổng mà BS thu được, N = Noise + Nf + IM (Noise là tạp âm nhiệt, Nf là hệ số tạp âm của BS và IM là dự trữ nhiễu. Khi đó, độ nhạy máy thu có thể được viết lại như sau:
S(dBm) = Eb/No (dB) + 10lg(KTW) + Nf (dBm) + IM (dBm) – 10log(W/R) (3.3)
3.1.1.12Tăng ích chuyển giao mềm
Tăng ích chuyển giao mềm là tăng ích sử dụng để chống lại hiện tượng fading chậm. Khi thiết bị di động nằm trong vùng chuyển giao mềm, tại cùng một thời điểm, nhiều liên kết chuyển giao mềm đều thu được tín hiệu, điều này làm giảm yêu cầu đối với dự trữ fading.
3.1.1.13Dự trữ điều khiển công suất
Công nghệ WCDMA sử dụng việc điều khiển công suất nhanh vòng lặp kín để chống lại các ảnh hưởng của fading nhanh dưới điều kiện di chuyển chậm, từ đó giảm tỷ số Eb/No yêu cầu. Trong điều kiện môi trường thực tế, công suất phát tối đa là giới hạn và điều này sẽ làm giảm hiệu suất của quá trình giải điều chế. Việc điều
khiển công suất không thể bù được fading sâu nếu đầu cuối di động đang ở trong vùng fading sâu. Trong trường hợp này, để chống lại fading sâu, thì các thiết bị UE (hoặc Node B) cần phải tăng công suất phát trung bình. Ngoài ra, khi UE đang ở vùng biên của ô, điều khiển công suất cũng không thể bù được fading sâu.
Trong điều kiện chuyển động chậm, giá trị của dự trữ điều khiển công suất là vào khoảng 3 dBm. Còn đối với trường hợp đầu cuối chuyển động nhanh thì dự trữ điều kiển công suất không được sử dụng.
3.1.1.14Suy hao đâm xuyên
Suy hao đâm xuyên của các tòa nhà gây ra bởi sự suy giảm của các sóng vô tuyến khi chúng xuyên qua các tòa nhà. Nó được tính thông qua sự khác nhau của cường độ trường giữa bên trong và bên ngoài tòa nhà. Giá trị suy hao thay đổi tùy thuộc vào vật liệu cũng như độ dày của các tòa nhà.
3.1.1.15Dự trữ fading
Dự trữ fading tuân theo phân bố loga. Giá trị của nó bị ảnh hưởng bởi khả năng giao tiếp tại vùng biên sector và độ lệch chuẩn fading, ngoài ra nó cũng chịu ảnh hưởng của môi trường truyền sóng điện từ. Trong đường truyền vô tuyến, giá trị tổn hao đường truyền có thể được xem như một biến ngẫu nhiên và tuân theo phân bố loga.
Giả sử rằng giá trị ngẫu nhiên của suy hao đường truyền là ξ, giá trị trung bình là m và độ lệch chuẩn là δ, ξ1là ngưỡng suy hao.
Khi ξ<ξ1, các tín hiệu sau giải điều chế thỏa mãn các yêu cầu về chất lượng dịch vụ. Khả năng phủ sóng vùng biên trong trường hợp lớn hơn hoặc băng 75% có thể được tính thông qua công thức sau:
Đối với môi trường bên ngoài (outdoor), độ lệch chuẩn của suy hao đường truyền luôn được lấy giá trị là 8 dB.
Khi đó, giá trị dự trữ fading tương ứng được tính như sau:
𝑚 − 𝜉1 = 0.675𝛿 = 0.675∗8 = 5.4 𝑑𝐵 (3.5)
Tất cả quá trình tính toán quỹ đường truyền hướng lên có thể tóm tắt như sau:
Bảng 3-4 Các tham số tính toán quỹ đường truyền
Tham số Ký hiệu
Công suất phát tối đa của MS A
Khuếch đại ănten thu MS B
Suy hao cơ thể người C
Công suất phát hiệu dụng của MS trên 1
kênh D=A+B-C
Mật độ công suất tạp âm nhiệt môi
trường E
Nhiễu hình hướng lên F
Mật độ phổ công suất nhiễu thu hướng
lên G=E+F
Độ tăng nhiễu hướng lên H
Tổng mật độ phổ công suất nhiễu thu BS I=G+H
Tỷ số Eb/No yêu cầu hướng lên J
Tốc độ dịch vụ hướng lên Ký hiệu
Độ nhạy máy thu hướng lên 𝐿=𝐼+ 10𝑙𝑔(3.84−10 lg(3.84∗106) + (∗𝐽106/𝐾))
Tăng ích ănten BS M
Suy hao kết hợp của BS N
Dự trữ fading P
Tăng ích chuyển giao mềm Q
Dự trữ điều khiển công suất R
Suy hao đường truyền S
Tổng suy hao tối đa T=D-L+M-N-P+Q-R-S
Đa số các mục trong việc tính toán quỹ đường truyền là giống nhau cho cả hướng lên và hướng xuống. Bán kính ô trên hướng xuống, vùng phủ hướng xuống thay đổi tùy thuộc vào số lượng thuê bao trông ô, vị trí và loại dịch vụ sử dụng của
thuê bao. Hướng xuống thường bị giới hại bởi dung lượng, khi tải của ô tăng có thể gây ra một số hạn chế trên hướng xuống.
Trong quá trình tính toán và quy hoạch mạng cần phải quan tâm đến việc cân bằng giữa hướng lên và hướng xuống, điều chỉnh các thông số thiết kế cho phù hợp với từng khu vực địa hình, dân cư và từng loại dịch vụ để vùng phủ của cả hướng lên và hướng xuống là tương đương nhau, hạn chế tối đa các khu vực hướng lên tốt mà hướng xuống xấu hoặc ngược lại. Việc tính toán này có thể được hỗ trợ thông qua các phần mềm quy hoạch mạng, sẽ được đề cập chi tiết trong chương sau của luận văn.
3.1.2 Tính toán vùng phủ của ô
Việc tính toán vùng phủ của ô có thể thực hiện thông qua các mô hình đường truyền khi đã xác định được tổn hao tối đa cho phép. Mô hình đường truyền cần được lựa chọn sao cho nó mô tả tối ưu nhất các điều kiện đường truyền trong khu vực cần tính toán. Những hạn chế của các mô hình có liên quan đến khoảng cách từ BS, chiều cao hiệu dụng của ănten BS, chiều cao ănten MS và tần số sóng mang.
Trong số các mô hình đường truyền, hai mô hình Okumura-Hata và Walfisch- Ikegami là hai mô hình được sử dụng nhiều nhất trong việc tính toán tổn hao đường truyền.
3.1.2.1 Mô hình Okmura-Hata
Mô hình Okumura-Hata được xử dụng trong việc tính toán vùng phủ trong quá trình quy hoạch mạng với các ô tế bào lớn (macro-cell). Công thức Hata ban đầu được sử dụng khi tần số nằm trong khoảng từ 150 đến 1000 MHZ, chiều cao ănten BS từ 30-200m và chiều cao MS từ 1-10m và khoảng cách là 1-20km. Chiều cao ănten BS phải vượt qua được ảnh hưởng của các tòa nhà đối với BS.
Mô hình Okumura-Hata được sử dụng hiệu quả trong việc nghiên cứu các đường truyền khác nhau bởi vì nó có thể sử dụng cho nhiều vùng đất khác nhau với nhiều loại địa hình và các thông số mạng khác nhau.
Tuy nhiên, mô hình này cũng có một số nhược điểm khi nghiên cứu đường truyền trong các môi trường ô tế bào nhỏ. Nếu chiều cao của ănten thấp hơn các tòa nhà xung quanh thì đặc tính của đường truyền sẽ thay đổi. Tình huống này không thể được phân tích bởi các phương pháp tĩnh bởi vì các tòa nhà độc lập lớn hơn rất nhiều so với kích thước của ô và đặc tính hình học của các tòa nhà không thể được bỏ qua như trong các mô hình ô tế bào lớn.
Công thức tính tổn hao đường truyền trong mô hình Okumura-Hata:
𝐿𝑝 =𝐴+𝐵 ∗ 𝑙𝑜𝑔10𝑓 −13.82∗ 𝑙𝑜𝑔10𝒉𝒃− 𝑎(ℎ𝑚) + (𝐶 −6.55∗ 𝑙𝑜𝑔10ℎ𝑏)∗ 𝑙𝑜𝑔10𝑑 (3.6)
Trong đó Lp là tổn hao đường truyền (dB); f là tần số (MHz); hb và hmlà chiều cao ănten của BS và MS (m); a(hm) là hàm hiệu chỉnh tăng ích ănten MS (dB); và d là khoảng cách (km).
Các tham số A và B được lấy các giá trị tương ứng như trong bảng 3-5. Các giá trị này được quyết định dựa trên các phép đo thực tế để phù hợp với mô hình.
Bảng 3-5 Các hằng số A và B trong mô hình Okumura – Hata
150-1000 MHz 1500-2000 MHz
A 69.55 46.3
B 26.16 33.9
Tham số C đưa ra sự phụ thuộc khoảng cách và được quyết định thông qua các phép đo, bằng cách thay đổi thông số này ta có thể điều chỉnh để mô hình chính xác hơn. Giá trị của nó thường nằm trong khoảng từ 44 đền 47 và giá trị mặc định thường được sử dụng là 44.9
Giá trị của a(hm) được xác định tùy thuộc vào từng loại thành phố khác nhau, đối với thành phố nhỏ và trung bình:
𝑎(ℎ𝑚) = (1.1∗ 𝑙𝑜𝑔10𝑓 −0.7)∗ ℎ𝑚−(1.56∗ 𝑙𝑜𝑔10𝑓 −0.8) (3.7) Và đối với thành phố lớn:
𝑎(ℎ𝑚) =�8.293.2∗∗[𝑙𝑜𝑔[𝑙𝑜𝑔10(1.54∗ ℎ𝑚)]2−1.1 𝑓 ≤ 200 𝑀𝐻𝑧
10(11.75∗ ℎ𝑚)]2−4.971 𝑓 ≥ 400 𝑀𝐻𝑧 (3.8)
Tuy nhiên, trong thực tế các hàm này thường ít được sử dụng bởi vì chiều cao ănten MS luôn vào khoảng 1.5m cho tất cả các trường hợp. Với giá trị chiều cao này, giá trị của các hàm nói trên thường xấp xỉ bằng không và không quá nhạy cảm với sự thay đổi nhỏ của chiều cao ănten MS.
Do mô hình Hata bị giới hạn về tần số nằm trong khoảng từ 100 đến 1500 MHz, nên nó không thể sử dụng để tính toán các mạng vô tuyến 3G. Để giải quyết vấn đề về giới hạn băng tần, công thức ban Hata ban đầu đã được hoàn thiện bởi COST231, kết quả là mô hình COST231-Hata có khả năng sử dụng trong khoảng tần số từ 1500MHz đến 2000 MHz, nó thích hợp cho việc tính toán các mạng vô tuyến 3G.
Công thức tính suy hao đường truyền trong mô hình COST231-Hata được viết