III. CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN VIỆC PHỦ SÓNG
1. Suy hao đường truyền
Là quá trình mà ởđó tín hiệu thu giảm dần do khoảng cách trạm phát và trạm thu ngày càng tăng.
1.1.Tính toán lý thuyết
Hệ thống GSM được thiết kế với mục đích là một mạng tổ ong dày đặc và bao trùm một vùng phủ sóng rộng lớn. Các nhà khai thác, thiết kế mạng của mình sao cho cuối cùng đạt được một vùng phủ liên tục bao trùm tất cả các vùng dân cư của đất nước. Vùng phủ sóng được chia thành các vùng nhỏ hơn là các cell. Mỗi cell được phủ sóng bởi một trạm phát vô tuyến gốc BTS. Kích thước cực đại của một cell thông thường có thể đạt tới bán kính R = 35 km. Vì vậy, suy hao đường truyền là không thể tránh khỏi.
Với một anten cho trước và một công suất phát đã biết, suy hao đường truyền tỉ lệ với bình phương (d.f), trong đó d là khoảng cách từ trạm thu đến trạm phát gốc BTS. Trong môi trường thành phố, với nhiều nhà cao tầng, suy hao có thể tỉ lệ với luỹ thừa 4 hoặc cao hơn nữa.
Dự đoán tổn hao đường truyền trong thông tin di động GSM bao gồm một loạt các vấn đề khó khăn, mà lý do chính bởi vì trạm di động luôn luôn di động và anten thu thấp. Những lý do thực tế này dẫn đến sự thay đổi liên tục của địa hình truyền sóng, vì vậy trạm di động sẽ phải ở vào những vị trí tốt nhất để thu được các tia phản xạ.
gian tự do. Với anten vô hướng, ta có công thức suy hao đường truyền trong không gian tự do: Lf = 20log λ πd 4 = 32,5 + 20log d + 20log f [dB] Với : d là khoảng cách giữa anten phát và anten thu [km]
f là tần số làm việc [MHz]
Những công thức lý thuyết đơn giản và trọn vẹn trên không còn phù hợp trong môi trường di động nữa, nơi mà truyền sóng qua nhiều đường là chủ yếu. Những sóng này cũng bị tán xạ, nhiễu xạ, suy giảm do nhiều trạng thái khác nhau của cả vật thể cố định và vật thể chuyển động. Hơn nữa, sự khúc xạ tầng đối lưu làm đường truyền sóng bị uốn cong.
• Mô hình mặt đất bằng phẳng
Mô hình mặt đất được trình bày trong hình 13 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). Hai sóng này cùng nhau tạo thành sóng không gian (Space Wave).
d Tx h1 h2 Rx Tx ¶o
Hình 2.2 Truyền sóng trong trường hợp coi mặt đất là bằng phẳng
L = 20 log 2 1 2 h h d
Nhưng trong thực tế, khoảng không gian giữa máy thu và máy phát thường có các vật chắn (hình 14). Theo lý thuyết về truyền sóng vô tuyến, một chướng ngại vật sẽ làm suy giảm cường độ của tín hiệu truyền thẳng. Sự suy giảm này phụ thuộc vào vật chắn trong tầm nhìn thẳng của vật chắn.
Hình 2.3 Vật chắn trong tầm nhìn thẳng
Công thức dùng để tính toán sự suy giảm do vật chắn gây ra: V = h d d d d λ 2 1 2 1 ) ( 2 +
Trong thực tế các loại địa hình truyền sóng thường rất phức tạp, không một công thức nào có thể đề cập được hết các loại địa hình này. Vì vậy, đã xuất hiện những mô hình truyền sóng nhờ những đo đạc thực tế của các nhà khoa học.
1.2.Các mô hình chính lan truyền sóng trong thông tin di động 9 Mô hình truyền sóng Hata: 9 Mô hình truyền sóng Hata:
Vào khoảng năm 1980, M.Hata đã giới thiệu mô hình toán học trong việc tính suy giảm đường truyền dựa trên những phân tích dữ liệu của Okumula.
Công thức Hata:
Lp(đô thị ) = 69,55 + 26,16.logf – 13,82.log(hb) – a(hm) + [44,9 – 6,55log(hb)].logd Trong đó:
f : tần số sóng mang (150÷1500) MHz hb : chiều cao của anten trạm gốc (30÷200) m hm : chiều cao anten máy di động (1÷20) m
d : khoảng cách từ trạm gốc đến máy di động (1÷20) km Hệ số hiệu chỉnh anten a(hm) :
a(hm) = (1,1.logf – 0,7).hm – (1,56.logf – 0,8) Và công thức tính suy hao cho vùng ngoài đô thị:
Lp(ngoại ô) = Lp(đô thị) – 2.[log(f/28)]2 – 5,4
Lp(nông thôn) = Lp(đô thị) – 4,78(logf)2 + 18,33.logf – 40,94
Mô hình Hata được sử dụng rộng rãi nhưng trong các trường hợp đặc biệt như nhà cao tầng phải sử dụng Microcell với anten lắp đặt dưới mái nhà cần phải sử dụng mô hình khác được giới thiệu tiếp theo.
9 Mô hình COST 231:
COST (Collaborative studies in Science and Technology - Cộng tác nghiên cứu khoa học và công nghệ) được sự bảo trợ của EU. COST231 bao gồm một số vấn đề liên quan tới vô tuyến của ô và những mô hình truyền sóng. Một Microcell được COST231 định nghĩa là một cell nhỏ với phạm vi từ 0,5 đến 1 km, trong phạm vi này anten gốc nói chung được đặt thấp hơn độ cao của toà nhà cao nhất.
Anten trạm gốc của cell lớn hoặc cell nhỏ nói chung đều được đặt phía trên của toà nhà cao nhất. Cell nhỏ của GSM được giới hạn trong phạm vi bán kính khoảng 1÷3 km, trái lại cell lớn có thể mở rộng phạm vi bán kính lên tới 35 km. Dựa trên cơ sở này, COST đưa ra mô hình Hata COST231.
Mô hình Hata COST231
Mô hình này được thiết kếđể hoạt động trong dải tần từ 1500÷2000 MHz ở đô thị hoặc ngoại ô, ta có công thức:
Lp = 46,3 + 33,9.logf –13,82.loghb – a(hm) + (44,9 – 6,55.loghb).logd + Cm Trong đó:
Lp : suy hao đường truyền ( dB ) f : tần số hoạt động ( MHz )
hb : độ cao anten trạm gốc ( m ) hm : độ cao anten máy di động ( m ) a(hm) : hệ số hiệu chỉnh anten
d : khoảng cách từ trạm gốc đến máy di động ( km )
Cm = 0 dB đối với thành phố cỡ trung bình hoặc trung tâm ngoại ô = 3 dB đối với trung tâm đô thị
9 Mô hình SAKAGAMIKUBOL:
Đây là mô hình được phát triển dựa trên kết quả của mô hình Okumura. Kết quả là có được một mô hình đáng quan tâm bởi những lý do sau:
1. Nó đưa ra rất nhiều tham số cho môi trường đô thị.
2. Nó có thểđáp ứng được trên phạm vi tần số 450÷2200 MHz.
3. Nó đưa ra những qui định hợp lệđối với những độ cao của anten trạm gốc thấp hơn đỉnh các toà nhà, để tạo ra mô hình hữu ích cho ứng dụng của Microcell.
Công thức của mô hình này là:
Lp = 100 – 7,1.logW + 0,023.φ + 1,4.loghs + 6,1.log<H> – [24,37 –
3,7.(H/hb)2].loghb + (43,42 – 3,1.loghb).logd + 20logf + exp[13(logf – 3,23)] Trong đó:
Lp : suy hao [dB]
W : bề rộng của đường tại điểm thu ( 5÷50 m )
φ : góc giữa trục của đường với đường thẳng nối từ anten trạm gốc đến máy di động
hs : độ cao của tòa nhà có đặt anten trạm gốc phía điểm thu (5÷80 m) <H> : độ cao trung bình của các toà nhà xung quanh điểm thu (5÷50 m) hb : độ cao của anten trạm gốc tại điểm thu (20÷100 m)
H : độ cao trung bình của các tòa nhà xung quanh trạm gốc (H > hb) d : khoảng cách giữa trạm gốc và điểm thu (0,5÷10 km)
f : tần số hoạt động (450÷2200 MHz) 2. Vấn đề Fading
Là hiện tượng tín hiệu tại điểm thu thay đổi ngẫu nhiên theo thời gian về cường độ, pha hoặc thành phần tần số. Fading xảy ra do sự dịch chuyển tương đối tại một khoảng cách xác định gây nên sự biến đổi đường truyền giữa trạm gốc BS và trạm di động MS.
• Fading chuẩn loga
Các trạm di động MS thường hoạt động ở môi trường có nhiều vật chắn giữa nó và trạm thu phát gốc BTS. Điều này dẫn đến hiện tượng che tối làm giảm cường độđiện trường thu, khi MS chuyển động cường độ trường lúc tăng lúc giảm do lúc có lúc không có vật che chắn giữa anten phát và anten thu vô tuyến. Ảnh hưởng của fading này làm cho cường độ tín hiệu lúc tăng lúc giảm, vùng giảm tín hiệu được gọi là chỗ trũng fading.
• Fading Rayleigh
Khi môi trường có nhiều chướng ngại vật, tín hiệu thu từ nhiều phương khác nhau. Điều này có nghĩa là tín hiệu thu là tổng của nhiều tín hiệu giống nhau nhưng khác pha và biên độ.
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…
Tóm lại, qua phân tích những ảnh hưởng của các tham số trên đến môi trường truyền sóng, ta có được những cơ sở làm tiền đề cho việc tối ưu hóa vùng phủ sóng.
• Các phương pháp phòng ngừa suy hao truyền dẫn do Fading
Để cải thiện máy thu và chất lượng của tín hiệu thu, có 4 phương án để thực hiện như sau:
- Phân tập anten
Fading là một hiện tượng ngẫu nhiên không tương quan (không đồng thời) xảy ra với các giá trị khác nhau của cùng một tham số tín hiệu, có tính chọn lọc theo tần số, thời gian. Vì vậy, có một phương pháp khắc phục fading là tiến hành thu
phát tín hiệu đồng thời ở các giá trị khác nhau của cùng một tham số tín hiệu. Do fading xảy ra không đồng thời nên ở phía thu luôn luôn nhận được tín hiệu tốt.
Ở phía thu, ta sử dụng 2 anten Rx độc lập thu cùng tín hiệu rồi kết hợp các tín hiệu này lại ta sẽ có một tín hiệu ra khỏi bộ kết hợp ít bị Fading hơn. Khoảng cách giữa 2 Tx và 2 Rx phải đủ lớn để không gian tín hiệu ở 2 anten nhỏ.
- Nhảy tần
Với Fading Rayleigh, mẫu Fading phụ thuộc vào tần số nghĩa là chỗ trũng Fading xảy ra ở các vị trí khác nhau đối với các tần số khác nhau. Như vậy ta có thể thay đổi tần số sóng mang trong một số tần số khi cuộc gọi đang tiến hành, khi gặp chỗ trũng Fading chỉ một phần thông tin bị mất. Để khôi phục lại thông tin hoàn thiện ta dùng phương pháp sau:
+ Mã hoá kênh
Ở truyền dẫn số người ta đo chất lượng của tín hiệu thu được chủ yếu bằng số lượng các bit thu được chính xác, đầu đến biểu diễn tỷ số bit lỗi BER. BER không thể bằng 0 do thay đổi đường truyền nếu có được cho phép một lượng nhất định và có khả năng khôi phục thông tin này hoặc có thể phát hiện tránh sử dụng thông tin lỗi. BER quan trọng với phát số liệu hơn Voice.
Ở phương pháp mã hoá kênh ta phải phát đi một lượng thông tin có số bit lớn hơn nhưng sẽ đạt độ an toàn chống lỗi cao hơn. Mã hoá kênh có thể phát hiện và sửa lỗi ở từng bit thu.
Mỗi kênh kiểm tra lỗi được chia thành mã khối và mã xoắn. Ở mã khối, một số bit kiểm tra được bổ sung vào một số bit thông tin nhất định. Các bit kiểm tra chỉ phụ thuộc vào các bit thông tin ở khối bản tin.
Ở mã xoắn, bộ mã hoá tạo ra khối các bit mã không chỉ phụ thuộc vào các bit của khối bản tin hiện thời được dịch vào bộ mã hoá mà còn phụ thuộc vào các bit của khối trước.
Mã hoá khối thường được sử dụng khi có báo hiệu định hướng theo khối và sử dụng để phát hiện lỗi khi thực hiện “ Yêu cầu tựđộng phát ” ARQ.
Mã xoắn liên quan nhiều hơn đến sửa sai. Cả hai mã này được sử dụng ở GSM. Hai bước mã hoá được dùng cho cả tiếng và số liệu.
+ Ghép xen
Các lỗi bit thường xảy ra theo từng cụm do các chỗ trũng fading lẫn làm ảnh hưởng nhiều bit liên tiếp. Để giải quyết hiện tượng lỗi bit quá dài ta dùng phương pháp ghép xen kênh để tách các bit liên tiếp của một bản tin sao cho các bit này gửi đi không liên tiếp.
Khi truyền dẫn, khung 2 có thể mất. Nếu không ghép xen toàn khối bản tin sẽ mất. Nhưng ghép xen sẽđảm bảo chỉ thị thứ hai ở từng khối là bị mắc lỗi:
Mã hoá kênh có thể khôi phục lại thông tin của tất cả các khối. ở GMS bộ mã hoá kênh cung cấp 456 bit cho từng 20 ms tiếng và được ghép xen để tạo ra các khối 57 bit.
Một khung tiếng 20 ms tạo 456 bit, các bit này được ghép xen vào 8 nhóm 57 bit ở các cụm bình thường có khoảng trống dành cho 2x27 bit.
Người ta thường bổ sung thêm một mức ghép kênh xen kẽ giữa 2 khung tiếng. Điều này làm tăng thời gian trễở hệ thống nhưng có thể cho phép mất toàn bộ một cụm vì nó ảnh hưởng 12,5 % số bit mỗi khung tiếng và có thểđược hiệu chỉnh bằng mã hoá kênh.
3. Phân tán thời gian
Phân tán thời gian xảy ra là do có nhiều đường truyền sóng từ máy phát đến máy thu. Hiện tượng phân tán thời gian gây ra một số vấn đề cho mạng thông tin di động số. Việc sử dụng truyền dẫn số cũng gây ra một số vấn đề khác như: phân tán thời gian do các tín hiệu phản xạ gây ra.
Sự phân tán thời gian sẽ gây ra hiện tượng “giao thoa giữa các ký tự ”. Giả thiết chúng ta phát đi một chuỗi bit 1 và 0. Nếu tín hiệu phản xạ đi chậm hơn tín hiệu đi thẳng đúng 1 bit thì máy thu phát hiện bit 1 từ sóng phản xạ đồng thời cũng phát hiện bit 0 từ sóng đi thẳng.
Vì vậy, nếu có phản xạ mà trễ lớn hơn hệ số cân bằng mà hệ thống có thểđáp ứng thì ta không thể xác định chính xác được là cần bao nhiêu bộ cân bằng. Giả sử các tia phản xạđến máy thu bên ngoài cửa sổ thời gian, được định nghĩa là tín hiệu phản xạ đến trong vòng 15 µs, sẽ gây ra 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. Chúng ta có thể coi giá trị này là giá trị cực đại của phân tán thời gian. Nghĩa là các tín hiệu phản xạ mà đến trễ hơn 15 µs, bên ngoài cửa sổ thời gian, phải có giá trị tổng nhỏ hơn 9 dB (tỉ số này chính là C/R). Nhưng một điều cần phải chú ý ởđây là các tia phản xạ
57 1 26 1 57
phải chỉ ra được các trường hợp đặc thù có thể xảy ra hiện tượng giao thoa giữa các ký tự, và các trường hợp này tỉ số C/R thấp hơn mức ngưỡng C/R quy định.
Vì thực tế địa hình môi trường và vị trí đặt trạm thu phát gốc BTS sẽ có thể gây ra phân tán thời gian. Những nhân tố sau cần phải được xem xét trước khi lựa chọn vị trí đặt trạm:
- Dựđoán vùng phủ sóng mong muốn và các cell lân cận - Diện tích phủ sóng của cell mong muốn
- Những khu vực trong cell có thể gây nhiễu - Những vật thể có thể gây phản xạ
- Trễ thời gian
- Những môi trường nguy hiểm (Những vùng núi, hồ sâu, những tòa nhà cao bằng kim loại, …)
Trong tất cả những trường hợp như vậy phân tán thời gian chỉ 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).
Trường hợp C/R trên ngưỡng
Hiệu số quãng đường = D0 - DR (mà DR = D1 + D2) lớn
⇒ Tín hiệu trực tiếp mạnh, tín hiệu phản xạ yếu
Hiệu số quãng đường lớn => Tín hiệu đến trực tiếp yếu, Tín hiệu phản xạ mạnh
Trường hợp C/R gần hoặc dưới ngưỡng nhưng vẫn nằm trong cửa sổ cân bằng
Hiệu quãng đường nhỏ => Tín hiệu trực tiếp yếu, Tín hiệu phản xạ mạnh
Những trường hợp trên rất quan trọng để ta lưu ý rằng khi MS di chuyển đến rất gần chướng ngại vật gây phản xạ thì tín hiệu phản xạ cũng có thể mạnh như tín hiệu trực tiếp, tuy nhiên trong trường hợp này hiệu quãng đường lại nhỏ và do vậy tín hiệu phản xạ vẫn nằm trong cửa sổ cân bằng, hay các tín hiệu phản xạ nằm trong