Việc tính toán quỹđường truyền có thểđược 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.
32
Hình 2. 1 Quỹđường truyền vô tuyến trong WCDMA
a) Đánh giá suy hao đường truyền
Giá trị suy hao đường truyền lớn nhất theo đường lên được tính toán theo công thức:
(2.1 Giá trị suy hao đường truyền lớn nhất theo đường xuống được tính toán theo công thức:
Trong đó:
- : Suy hao đường truyền theo đường lên (dB). - : Suy hao đường truyền theo đường xuống (dB). - PUE: Công suất phát của UE (dB).
- GBS ,GUE: Hệ số tăng ích của antenna trên NodeB và của UE (dBi). - Lf: Suy hao do feeder.
- GSHO: Tăng ích chuyển giao mềm (dB). - Mpc: Dự trữđiều khiển công suất.
- Mf: Dự trữ fading (liên quan đến môi trường truyền sóng).
- Mi-UL,Mi-DL: Dự trữ nhiễu theo đường lên và đường xuống (liên quan đến dung lượng thiết kế của hệ thống).
- Lp: Suy hao do đâm xuyên. - Lb: Suy hao do cơ thể.
33
b) Công suất phát của Node B
Trong hệ thống WCDMA, công suất phát của NodeB 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. Thông thường công suất phát tối đa của BS là 43 dBm (20W).
Để đảm bảo hoạt động thông thường các kênh dùng chung không được vượt quá 25% tổng công suất phát của một cell trong mọi trường hợp (kể cả có kênh điều khiển dịch vụ HSDPA, HS - SCCH).
Công suất của kênh hoa tiêu CPICH trong khoảng từ 5% tới 10% tổng công suất phát của 1 cell (giá trị thường được sử dụng là 8%), các kênh còn lại có công suất phát phụ thuộc vào kênh hoa tiêu.
Các bảng sau chỉ ra mức công suất phát của các kênh dùng chung:
Bảng 2. 1. Công suất các kênh dùng chung khi không có dịch vụ HSDPA Kênh truyền Cấu hình công suất Hiệu suất hoạt động
Kênh hoa tiêu CPICH 8% tổng công suất phát 100%
Kênh chính điều khiển vật lý
dùng chung sơ cấp PCCPCH -3,1dB so với kênh hoa tiêu 90%
Kênh phụ điều khiển vật lý dùng chung sơ cấp PCCPCH
-0,25dB so với kênh hoa
tiêu 100%
Kênh đồng bộ chính PSCH -1,8dB so với kênh hoa tiêu 10%
Kênh đồng bộ phụ SSCH -3,5dB so với kênh hoa tiêu 10%
Kênh chỉ thị tìm gọi PICH -7dB so với kênh hoa tiêu 96%
Kênh chỉ thị bắt AICH -7dB so với kênh hoa tiêu 6.7%
Công suất của kênh điều khiển dịch vụ HSDPA được thêm vào kênh điều khiển vật lý phụ SCCPCH.
Ví dụ: với công suất phát của kênh hoa tiêu là 35,1 dBm (8% của 40W) khi đó với dịch vụ HSDPA công suất phát của kênh điều khiển vật lý phụ SCCPCH là 34,8dBm trong đó 33,8dBm dành cho SCCPCH còn 1dBm dành cho HS-SCCH. Hình vẽ dưới đây mô tả phân bố chi tiết công suất của các kênh logic:
34
Hình 2. 2. Công suất phát của của các kênh logic
c) Công suất phát của UE
Bảng 2.2 thể hiện công suất phát tối đa cho mỗi lớp UE và sai số cho phép tương ứng. Một thiết bị UE thoại (phone) thường thuộc lớp 3 hoặc lớp 4. Trong khi đó, một thiết bị UE dữ liệu (data card) 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 thâp 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 sai số, ví dụ như là 19 dBm đối với UE lớp 4. Hiện tại, ta sử dụng 21 dBm để tính toán cho mạng WCDMA thông thường và 24 dBm khi tính toán đối với dịch vụ HSDPA.
Bảng 2. 2. 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
d) Hệ số tăng ích của anten
Hệ số tăng ích của anten là một trong những chỉ số quan trọng của anten. Nó cho biết khả năng tập chung năng lượng của anten theo một hướng nào đó.
35
• Hệ số tăng ích của anten Node B: Trên thực tế, các loại anten khác nhau có hệ số tăng ích khác nhau có thể được lựa chọn để phù hợp với các khu vực và các yêu cầu vùng phủ khác nhau. Thông thường trong các vùng dân cư lớn và vừa, người ta thường sử dụng anten có hệ số tăng ích là 17 dBi.
• Hệ số tăng ích của anten UE:Do đặc điểm của UE là thiết bị di động được thiết kế nhỏ gọn, không có anten ngoài nên hệ số tăng ích thường là 0 dBi.
e) Suy hao do feeder
Suy hao do kết nối có thể bị gây ra bởi nhiều nguyên nhân: tổn hao do feeder, tổn hao mối nối v.v.. Trong số đó đáng kể nhất là suy hao gây bởi feeder. Sự suy hao của feeder có thể làm giảm mức thu và làm nhỏ lại bán kính phủ sóng của Node B. Vì vậy, các bộ khuếch đại phát có thể được sử dụng hạn chế ảnh hưởng của sự suy hao feeder.
Trong thực tế người ta thường sử dụng 2 loại feeder với suy hao như sau:
• Feeder 7/8-inch: có suy hao trung bình 6.1 dB/ 100m.
• Feeder 5/4-inch: có suy hao trung bình 4.5 dB/ 100m.
f) Suy hao do cơ thể
Suy hao do cơ thể là suy hao gây nên do để thiết bị UE gần cơ thể người. Đối với các dịch vụ thoại, suy hao do cơ thể thường là 3dB. Còn đối với các dịch vụ số liệu, suy hao do cơ thể xấp xỉ bằng 0dB do các dịch vụ số liệu thường là đọc và xem nên UE thường được để xa khỏi cơ thể con người.
g) Tăng ích xử lý
Thuật ngữ tăng ích xử lý miêu tả độ lợi đạt được khi trả phổ tín hiệu băng hẹp trên phổ tần băng rộng. Độ lợi này là tỉ số giữa tốc độ chip với tốc độ dịch vụ. Về cơ bản độ rộng băng tần sóng mang là 5MHz, tuy nhiên tín hiệu không được trải phổ trên toàn bộ băng tần của sóng mang. Thực tế hệ thống WCDMA được trải phổ trên một khoảng 3.84MHz (). Hệ thống còn cho phép khả năng điều chỉnh băng thông trải phổ trên băng thông của sóng mang khi cần.
36
Tăng ích xử lý có thểđược tính theo công thức:
(2.3) Trong đó R là tốc độ của dịch vụ có đơn vị là Kbps.
Về cơ bản trong hệ thống WCDMA ngoài dịch vụ HSDPA thì có một số dịch vụ cơ bản với tốc độ như sau: 12,2 Kbps (thoại); 64 Kbps (video); 128 Kbps và 384 Kbps (dịch vụ dữ liệu R99). Các dịch vụ khác nhau sẽ có các tăng ích xử lý không giống nhau. Vài khi đó, bán kính vùng phủ dịch vụ đối với các dịch vụ khác nhau cũng khác nhau.
Hình 2. 3. Tăng ích xử lý với các dịch vụ khác nhau
h) Giá trị yêu cầu
Eb là mức năng lượng tín hiệu trên từng bit, và được tính bằng công thức:
(2.4) Trong đó:
• S: là mức năng lượng tín hiệu.
• R: là tốc độ bit của dịch vụ.
No là mật độ phổ công suất tạp âm, được định nghĩa bằng công thức:
(2.5) Trong đó:
• W: là tốc độ chip và có giá trị là 3.84Mcps.
37
Do đó tỷ số thể hiện quan hệ giữa mức năng lượng trên từng bit với mật độ phổ công suất tạp âm, được dùng để đảm bảo đạt được ngưỡng chất lượng của dịch vụ và được tính qua công thức :
(2.6) Hoặc:
(2.7) Trong đó:
• : là mức năng lượng trên từng chip.
• PG: là tăng ích xử lý.
Tỷ số 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. Dưới đây là bảng giá trị cho một số loại dịch vụđược đưa ra bởi Ericsson:
Bảng 2. 3. Giá trị Eb/No một số dịch vụ
i) Dự trữ nhiễu
WCDMA là một hệ thống tự gây nhiễu mà ởđó vùng phủ liên quan mật thiết với dung lượng của mạng. Do đó khi tính toán quỹ đường truyền vô tuyến cần phải tính tới dự trữ nhiễu.
38
Dự trữ nhiễu đường lên có thểđược tính qua công thức:
(2.8) (2.9) Với là hệ số tải theo đường lên.
Thông thường dự trữ nhiễu có giá trị từ 1 ~ 3 dB ứng với hệ số tải đường lên từ 20 ~ 50%.
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.
Hình 2. 4. Sự phụ thuộc dự trữ nhiễu với tải của Node B
j) Độ 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:
(2.10) Với N là tạp âm tổng mà UE thu được. N được tính bởi công thức 2.11:
39
(2.11) Trong đó:
• Noise: là tạp âm nhiệt.
• NF: là hệ số tạp âm của Node B.
• Mi-DL: là dự trữ nhiễu đường xuống. Tạp âm nhiệt (Noise):
Nền tạp âm nhiệt ảnh hưởng trực tiếp đến độ nhạy thu và được tính toán theo công thức sau: (2.12) (2.13) Trong đó: • K: là hằng số Boltzmann (1,38.10-23J/K). • T: nhiệt độ Kelvin của hệ thống. • B: là băng thông của hệ thống (3.84 MHz).
• 10log(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.
Hệ số tạp âm (NF):
Hệ số tạp âm là một chỉ sốđể đánh giá đặc tính nhiễu của bộ khuếch đại có tốt hay không.
Hình 2. 5. Tín hiệu và nhiễu tại đầu vào và đầu ra của bộ khuếch đại
Hệ số tạp âm được tính bởi công thức 2.14:
40
Trong hệ thống WCDMA thì hệ số tạp âm của Node B có giá trị từ 3~5 dB còn của UE là từ 5~7 dB.
Với Noise và NF được xác định như trên, công thức tính độ nhạy máy thu có thể biến đổi thành:
(2.15)
k) Tăng 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. Giá trị tăng ích chuyển giao mềm đối với đường xuống là từ 2~3 dB còn đường lên là 0.8~4 dB.
l) Dự trữđiều 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, từđó 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 từ 2~5 dBm. Còn đối với trường hợp đầu cuối chuyển động nhanh thì giá trị dự trữ điều kiển công suất là 0 dB (không được sử dụng).
m) Dự trữ fading
Việc điều khiển công suất tránh được hiện tượng fading, tuy nhiên khi UE di chuyển cao thì gần việc điều khiển công suất không còn tác dụng, chính vì vậy ta
41
cần một lượng dự trữ fading cho kênh truyền. Dự trữ fading được đưa ra để đảm bảo sự che phủ của Node B tại biên của các cell đạt được ở một xác suất nào đó.
Dự trữ fading có thểđược tính bởi công thức:
(2.16) Trong đó:
• : là xác suất phủ sóng vùng biên.
• δ : là độ lệch chuẩn của suy hao đường truyền.
n) Suy hao do đâm xuyên
Hình 2. 6. Mô hình suy hao đâm xuyên
Suy hao đâm xuyên qua các tòa nhà gây ra bởi sự suy giảm của các sóng vô tuyến khi chúng đi 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 nhưđộ dày của các tòa nhà. Thông thường giá trị suy hao thay đổi trong khoảng 10~20 dB.
Dưới đây là một số giá trị suy hao đâm xuyên đối với từng bề mặt của một số môi trường:
• Thành phố với mật độ dày đặc: 18~20 dB.
• Thành phố thông thường: 15~18 dB.
• Vùng ngoại ô: 12~15 dB.
42
• Trong xe: 6~10 dB.
o) Ví dụ về quỹđường truyền vô tuyến
Bảng 3-5 và 3-6 dưới đây đưa ra các giá trị của quỹ đường truyền dùng để dự đoán vùng phủ trong nhà trong môi trường thành phố có mật độ dày đặc với một số giả thiết sau: đường lên thiết kế cho dịch vụ CS-64K với dự trữ nhiễu là 3 dB (hệ số tải là 50%), đường xuống thiết kế cho dịch vụ PS-128K với dự trữ nhiễu là 6 dB (hệ số tải là 75%).
Bảng 2. 4 Quỹđường truyền hướng lên với dịch vụ CS-64K
Thông số Đơn vị Ký hiệu Giá trị
Tốc độ chip C/s a 3840000
Tốc độ bit bit/s b 64000
Hệ số tạp âm máy phát dB c 3.5
Hằng số Boltzmann K J/K d 1.381e-23
Nhiệt độ T K e 290
Mật độ tạp âm nhiệt KT dB/Hz f=10*log(d.e) -204.0 Tạp âm nhiệt KTB dB g=10*log(a.d.e) -138.1 Tạp âm tổng cộng dB h = c+g -134.6 Hệ số tăng ích Anten NodeB dBi l 18 Hệ số tăng ích của UE dBi j 0
Suy hao cơ thể dB k 2
Suy hao đâm xuyên dB m 18
Tổn hao Feeder dB n 3.5
Tăng ích tổng cộng của anten dB p=i+j-k-m-n -5.5
Dự trữ nhiễu dB q 3.0
Giá trị Eb/No dB r 1.7
Tăng ích xử lý dB s=10*Log(a/b) 17.8 Độ nhạy thu của máy phát dBm u=f+10*log(b)+30+r+c -120.7
Tăng ích chuyển giao mềm dB v 2.0
Công suất tối đa của UE (UL) dBW w -11.0
Suy hao do che chắn dB x 5.4
Suy hao tối đa cho phép dB y=-h+p-q-r+s+v+w-x 127.8
Bảng 2. 5 Quỹđường truyền hướng lên với dịch vụ CS-128K
Thông số Đơn vị Ký hiệu Giá trị
43
Tốc độ bit bit/s b 128000
Hệ số tạp âm máy phát dB c 7.0
Hằng số Boltzmann K J/K d 1.381e-23
Nhiệt độ T K e 290
Mật độ tạp âm nhiệt KT dB/Hz f=10*log(d.e) -204.0 Tạp âm nhiệt KTB dB g=10*log(a.d.e) -138.1 Tạp âm tổng cộng dB h = c+g -131.1 Hệ số tăng ích Anten NodeB dBi l 18 Hệ số tăng ích của UE dBi j 0
Suy hao cơ thể dB k 2
Suy hao đâm xuyên dB m 18