1.6.2.1 Kớch thước Cell:
Cell lớn: Bỏn kớnh phủ súng khoảng vài Km đến vài chục Km ( ≤ 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.
Cell nhỏ: Bỏn kớnh phủ súng khoảng vài trăm m. (GSM: ≤ 1 km) Vị trớ thiết kế cỏc Cell nhỏ:
Súng vụ tuyến bị che khuất (vựng đụ thị lớn). 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 thành 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, 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 thề 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.
1.6.2.2 Phương thức phủ súng:
Hỡnh dạng của cell trong mỗi một sơ đồ chuẩn phụ thuộc vào kiểu anten và cụng suất ra của mỗi một BTS. Cú hai loại anten thường được sử dụng: anten vụ hướng (omni) là anten phỏt đẳng hướng, và anten cú hướng là anten bức xạ năng lượng tập trung trong một khu vực (sector).
Phỏt súng vụ hướng – Omni directional Cell (3600) :
Hỡnh 1.7 Omni (3600) Cell site
Khỏi niệm Site: Site được định nghĩa là vị trớ đặt trạm BTS. Với Anten vụ hướng: 1 Site = 1 Cell 3600
Phỏt súng định hướng– Sectorization:
Lợi ớch của sectorization (sector húa):
Cải thiện chất lượng tớn hiệu (Giảm can nhiễu kờnh chung). Tăng dung lượng thuờ bao.
Hỡnh 1.8 Sector húa 1200
Với Anten định hướng 1200: 1 Site = 3 Cell 1200
1.6.3 Chia Cell (Cells Splitting):
Một cell với kớch thước càng nhỏ thỡ dung lượng thụng tin càng tăng. 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 cells. 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 cells 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.
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 là thấp nhất. Thực hiện được điều này thỡ yờu cầu phải tận dụng được cơ sở hạ tầng của đài trạm cũ. Để đỏp ứng được yờu cầu này, người ta sử dụng phương phỏp giảm kớch thước cell gọi là cells splitting.Theo phương phỏp này việc hoạch định được chia thành cỏc giai đoạn sau:
ắ Giai đoạn 0 (phase 0):
Khi mạng lưới mới được thiết lập, lưu lượng cũn thấp, số lượng đài trạm cũn ớt, mạng thường sử dụng cỏc “omni cell” với cỏc anten vụ hướng, phạm vi phủ súng rộng.
Hỡnh 1.9 Cỏc Omni (3600) Cells 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 tỉ số súng mang trờn nhiễu đồng kờnh (C/I: Carrier to Interference Ratio).
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.
ắ Giai đoạn 1 (phase 1): Sector hoỏ:
Thay anten vụ hướng (omni) bằng 3 anten riờng biệt định hướng dải quạt 1200 ( Hỡnh 1.10) là một giải phỏp tỏch chia một Cell thành 3 Cells. Đú là giải phỏp dải quạt húa (sectorization – sector). 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.
Hỡnh 1.10 Giải đoạn 1 sector hoỏ
ắ Giai đoạn 2 (phase 2): Tỏch chia nhỏ hơn nữa::
- Tỏch chia Cell 1:3 thờm lần nữa
Hỡnh 1.11 trỡnh bày việc tỏch chia 3 thờm lần nữa. Lần tỏch này sử dụng lại mặt bằng cũ và thờm gấp đụi mặt bằng mới cho cỏc BTS mới.
Ở mặt bằng cũ, anten cần quay đi 30 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.
Hỡnh 1.11 Tỏch chia 1:3 thờm lần nữa
- Tỏch chia 1:4 (sau lần đầu chia 3)
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 1.12.
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 tỉ số nhiễu C/I.
Hỡnh 1.12 Tỏch chia 1:4 (sau lần đầu chia 3)
Bõy giờ ta hóy xột một vớ dụ để thấy được sự tăng dung lượng khi thu hẹp kớch thước cell. Giả thiết rằng hệ thống cú 24 tần số và chỳng ta bắt đầu từ một Cell cú bỏn kớnh cực đại 14 km sử dụng một cụm 7 Cell omni. Sau đú chỳng ta thực hiện cỏc giai đoạn 1 tỏch 3 và 1 tỏch 4.
Cũng giả thiết rằng một thuờ bao cú lưu lượng 0,02 Erlang với mức 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 1 cụm là N = 7 Cell, thỡ số kờnh lưu lượng TCH (Traffice Channel) cho mỗi cell là: (192 - 2 x7 )/7 = 178/7 = 25 TCH.
Trong giai đoạn tiếp theo, khi một cụm cú N = 21 Cell. 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.
Bảng 1.2: Bảng thụng kế về mật độ lưu lượng qua cỏc bước tỏch Cell Giai đoạn Bỏn kớnh ụ (km) N TCH mỗi ụ Phạm vi ụ (km2) Số thuờ bao/1 ụ Số thuờ bao/km2 Hiệu quả trung kế 0 14 7 25 499.2 999 2,0 0.76 1 8 21 8 166.4 227 1,4 0.54 2 4 21 8 41.6 227 5,5 0.54 3 2 21 8 10.4 227 21,8 0.54
Từ bảng 1.2 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 1 tỏch 4, bỏn kớnh cell giảm 2 lần, nhưng dung lượng tăng 4 lần.
Như vậy, ta thấy rằng biện phỏp “cell splitting” 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 (do cụng suất bức xạ của BTS và MS cú hạn, vấn đề nhiễu). Đồng thời việc lắp đặt cỏc vị trớ trạm mới đũi hỏi 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 bức xạ của BTS (thường là cỏc trạm Repeater) thấp.
1.7 Dung lượng trong hệ thống GSM
Lưu lượng đơn giản là lượng thụng tin trong cỏc kờnh thụng tin. Lưu lượng trờn kờnh vụ tuyến được tớnh theo Erlang. Lượng Erlang được hiểu là số thời gian cuộc gọi trờn một giờ. Như vậy lưu lượng của một thuờ bao được tớnh như sau:
A = (c*T)/3600 (1.1) Trong đú:
C : số cuộc gọi trung bỡnh trong một giờ của một thuờ bao. t : thời gian trung bỡnh cho một cuộc gọi.
A : lưu lượng thụng tin trờn một thuờ bao (tớnh bằng Erlang).
Vớ dụ: C = 1 : trung bỡnh một người cú một cuộc gọi trong một giờ. t = 120s : thời gian trung bỡnh cho một cuộc gọi là 2 phỳt.
⇒ A = (1*120)/3600 ≈ 33 mErlang/người sử dụng
Như vậy, để phục vụ cho 1000 thuờ bao ta cần một lưu lượng là 33 Erlang. ắ Cấp độ dịch vụ - GoS (Grade of Service):
Để cho một kờnh đường trục cú chất lượng phục vụ cao thỡ xỏc suất nghẽn phải thấp. Vậy nờn số người dựng cú thể phải bị giới hạn, tức là lưu lượng muốn truyền phải giữ trong dung lượng kờnh. Nếu chấp nhận một cấp độ dịch vụ thấp hơn, tức là xỏc suất nghẽn lớn hơn, thỡ tương ứng tăng được dung lượng muốn truyền (tăng số người dựng). GoS cựng một nghĩa với xỏc suất nghẽn:
Lưu lượng yờu cầu: A (lưu lượng muốn truyền) Lưu lượng bị nghẽn : A*GoS (lưu lượng mất đi) Lưu lượng được truyền : A*(1 - GoS).
Vớ dụ: Số kờnh dựng chung là 10, GoS là 2%. Tra bảng Erlang B ta cú lưu lượng muốn truyền là A = 5.084 Erl. Vậy lưu lượng được truyền là:
A*(1 - GoS) = 5.084*(1 – 0.02) = 4.9823 Erl. (1.2) Theo thống kờ cho thấy thỡ cỏc thuờ bao cỏ nhõn sẽ khụng nhận ra được sự tắc nghẽn hệ thống ở mức dưới 10%. Tuy nhiờn để mạng hoạt động với hiệu suất cao thỡ mạng cellular thường cú GoS = 2-5 % nghĩa là tối đa 2-5% lưu lượng bị nghẽn, tối thiểu 95-98% lưu lượng được truyền.
Hỡnh 1.13 Sơđồ lưu lượng
ắ Hiệu suất sử dụng trung kế (đường trục):
Hiệu suất sử dụng trung kế là tỷ số giữa lưu lượng được truyền với số kờnh của đường trục.
Ở vớ dụ trờn, ta đang xột trung kế cú số kờnh dựng chung n = 10, GoS = 2 %, nờn lưu lượng được truyền sẽ là 4.9823 Erl. Ta cú:
Hiệu suất sử dụng trung kế = ( 4.9823/10)*100% = 49.823 % (1.3) Hiệu suất cú vẻ thấp này tương ứng với GoS tốt (Xỏc suất nghẽn thấp). Chẳng hạn, nếu GoS = 10 % (tồi hơn) thỡ lưu lượng muốn truyền là 7.511 Erl, tương ứng lưu lượng được truyền là: 7.511*(1 – 0,1) = 6.7599 Erl. Khi đú, hiệu suất sử dụng trung kế lờn đến ( 6.7599/10)*100% = 67.599 %.
GoS càng tốt thỡ hiệu suất sử dụng trung kế càng thấp, cần phải cú nhiều kờnh vụ tuyến cho lưu lượng muốn truyền GoS đó cho. GoS càng kộm thỡ với một lưu lượng đó cho thỡ chỉ cần số kờnh vụ tuyến là ớt hơn.
Với cựng một GoS, trung kế càng lớn (số kờnh dựng chung lớn) thỡ hiệu quả sử dụng trung kế càng cao.
Bảng 1.3: Hiệu suất sử dụng trung kế
Số kờnh TCH
Lưu lượng được truyền (GoS = 2%) Hiệu suất sử dụng trung kế 6 2.2305 Erlang 37 % 14 8.036 Erlang 57 % 22 14.602 Erlang 66 % 30 21.49 Erlang 72 % 45 34.89 Erlang 77.55 % 1.8 Ưu nhược điểm của mạng GSM ắ Ưu điểm:
GSM là chuẩn phổ biến nhất cho điện thoại di động (ĐTDĐ) trờn thế giới. Khả năng phỳ súng rộng khắp nơi của chuẩn GSM cho phộp người sử dụng cú thể sử dụng ĐTDĐ của họ ở nhiều vựng trờn thế giới (Roaming). Đứng về phớa quan điểm khỏch hàng, lợi thế chớnh của GSM là chất lượng cuộc gọi tốt hơn, giỏ thành thấp và dịch vụ tin nhắn. Thuận lợi đối với nhà điều hành mạng là khả năng triển khai thiết bị từ nhiều người cung ứng. GSM cho phộp nhà điều hành mạng cú thể sẵn sàng dịch vụ ở khắp nơi, vỡ thế người sử dụng cú thể sử dụng điện thoại của họ ở khặp nơi trờn thế giới.
ắ Nhược điểm:
Một trong những nhược điểm của mạng GSM hiện tại là thuờ bao sử dụng mạng điện thoại cụng cộng như một mạng truyền dẫn, phải trả tiền cho kết nối chuyển mạch kờnh. Ngoài ra, thời gian thiết lập cuộc gọi là khỏ dài trong trường hợp sử dụng modem để kết nối với Internet (GSM chỉ cho phộp tốc độ truyền dẫn tối đa là 9.6 Kbps qua kờnh lưu lượng TCH nú nhỏ hơn rất nhiều so với con số 56 Kbps mà một kết nối Internet truyền thụng cú thế đạt được). GSM khụng cú dịch vụ tin nhắn ngắn SMS qua internet (một chiều) và nếu cú thỡ chiều dài của tin nhắn sẽ bị hạn chế khụng qua 161 ký tự. Việc quản lý tài nguyờn khụng hiệu quả vỡ mỗi thuờ bao cần một kờnh lưu lượng trong suốt quỏ trỡnh tiến hành cuộc gọi. Hơn nữa
với cụng nghệ ghộp kờnh TDMA và FDMA thỡ dung lượng bị hạn chế dẫn đến tắc nghẽn mạng, cũn giải phỏp tốc độ cao GPRS và EDGE thỡ chiếm dung lượng nhiều làm cho tắc nghẽn vụ tuyến dẫn đến tắc nghẽn thoại và giỏ thành đắt.
Hiện này, cựng với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật, nhu cầu thụng tin trờn toàn cầu ngày càng đũi hỏi cao hơn, tiện lợi hơn. Điều này, đặt ra cho cỏc nhà khai thỏc vấn đề cần thiết phải cải thiện mạng để đỏp ứng mọi dịch vụ cho khỏch hàng mọi lục mọi nơi. Trước tỡnh hỡnh đú, mạng GSM hiện tại đó bộc lộ những mặt hạn chế cho cả người sử dụng và nhà khai thỏc, đặc biệt trong lĩnh vực dịch vụ dữ liệu.
Với những nhược điểm trờn, cỏc dịch vụ dữ liệu di động sẽ khụng cú khả năng được tung ra thị trường hàng loạt. Chớnh vỡ vậy việc phỏt triển mạng GSM lờn 3G là một điều cần thiết nhằm đỏp ứng nhu cầu quy mụ lớn trong lĩnh vực thụng tin và cỏc dịch vụ tiờn tiến.
Chương II
KỸ THUẬT CDMA BĂNG RỘNG W-CDMA
(Wide-band Code Division Multiple Access )
2.1 Mởđầu
Kể từ khi hệ thống thụng tin di động tổ ong đầu tiờn được triển khai vào đầu những năm 80, cỏc hệ thống thụng tin di động đó và đang liờn tục được phỏt triển. Cụng nghiệp viễn thụng hiện nay đang tiến từ thế hệ hai (2G- Second Generation) lờn thế hệ ba (3G Third Generation). Sự phỏt triển tập trung vào cỏc cụng nghệ mới nhằm cung cấp cỏc dịch vụ tiờn tiến, đỏp ứng cỏc yờu cầu khỏc nhau của khỏch hàng. Cú hai tổ chức quốc tế nghiờn cứu về 3G: 3GPP(Third Generation Partnership Project) đưa ra cỏc tiờu chuẩn kĩ thuật của W-CDMA (Wideband Code Division Multiple Access - Đa tuy nhập phõn chia theo mó băng rộng) và 3GPP2 (Third Generation Partnership Project2) xõy dựng cdma2000.
CDMA2000 sử dụng CDMA đa súng mang cũn W-CDMA sử dụng CDMA