L ỜI CAM Đ OAN
3.4. Quy hoạch vùng phủ sóng và dung lượng vô tuyến
3.4.1. Phân tích vùng phủ sóng
Để quy hoạch vùng phủ vô tuyến cho hệ thống thông tin di động WCDMA cần khảo sát chi tiết nhiều vấn đề liên quan đến: nơi cần phủ sóng, các kiểu phủ sóng đối với mỗi vùng. Ưu tiên phủ sóng ở các khu vực quan trọng như: các khu thương mại, khu công nghiệp, các vùng có mật độ dân cư cao và các đường cao tốc chính. Vì thế cần hiểu biết rõ về vùng cần phủ sóng trên cơ sở bản đồ mật độ dân cư, phân biệt ranh giới giữa các vùng: thành phố, ngoại ô, nông thôn, khu thương mại, nhà ở, khu công nghiệp, bãi đỗ xe,…Bản đồ có thể cung cấp những thông tin hữu ích cho việc xác định kiểu môi trường, mô hình truyền sóng giúp lựa chọn thừa số hiệu chỉnh môi trường và tổn hao thâm nhập tòa nhà một cách chính xác.
Các mức phủ sóng khác nhau có thể được áp dụng cho từng kiểu môi trường riêng biệt, chẳng hạn: Áp dụng mức phủ sóng trong nhà cho vùng thành phố và ngoại ô, mức phủ sóng trong xe ôtô cho khu vực đường cao tốc trong khi chỉ áp dụng mức phủ sóng ngoài trời cho khu vực như bãi đỗ xe.
Ngoài ra, cũng cần xem xét đến mối quan hệ giữa vùng phủ và tốc độ dịch vụ. Tốc độ số liệu càng cao thì để đảm bảo tỉ lệ lỗi bit (BER) yêu cầu ở máy thu di động với công suất phát của trạm gốc không đổi, phải thu hẹp vùng phủ tức là giảm bán kính phủ sóng.
Trong bước quy hoạch vùng phủ vô tuyến, cần xem xét các vấn đề chủ yếu sau:
dân (Dense Urban)
nhau, là các khu trung tâm với văn phòng và các trung tâm mua sắm, giải trí, nhà ga,…với mật độ dân cưđông đúc.
Đô thị
(Urban)
Là các khu vực đường phố có nhiều tòa nhà cao tầng và cây xanh xen kẽ nhau
Ngoại ô
(Suburban)
Là các khu nghỉ dưỡng, nhà vườn, công viên, đường cao tốc có các nhà nhỏ và cây xanh nằm cách xa nhau (phân tán).
Nông thôn (Rural)
Khu vực không có vật cản là các toà nhà cao tầng hoặc cây to trên quãng đường truyền sóng. Nó thường là khu thoáng đãng, có tầm nhìn rõ trong khoảng 300-400m. Ví dụ: vùng nông thôn, cánh đồng,… Một yếu tố nữa cũng ảnh hưởng đến vùng phủ sóng là xác định vùng phủ theo dịch vụ. Hệ thống WCDMA là hệ thống đa dịch vụ. Ứng với mỗi loại hình dịch vụ sẽ có bán kính phục vụ tương ứng phụ thuộc vào mã trải phổ, công suất phát cực đại và chất lượng dịch vụ yêu cầu. Tùy theo mỗi khu vực và dự báo nhu cầu sử dụng dịch vụ thì sẽ có các bán kính phục vụ khác nhau. Bảng 3.2. Một số dịch vụ chính trong mạng WCDMA Kiểu kênh Dịch vụ hỗ trợ CS 12.2K Thoại (voice) CS 64K Thoại thấy hình PS 64K Email, Web
PS 384K E-mail, Web, Video streaming, Mobile TV
HSDPA Dịch vụ Best Effort
3.4.2. Phân tích quỹ năng lượng đường truyền vô tuyến
Để xác định vùng phủ cực đại của một cell, các nhà thiết kế mạng phải tính toán quỹ đường năng lượng đường truyền vô tuyến. Đầu ra của việc tính toán quỹ năng lượng đường truyền vô tuyến là tổn hao đường truyền cực đại cho phép đảm bảo cường độ tín hiệu phù hợp ở biên giới cell. Tổn hao đường truyền cho phép là hiệu số giữa công suất phát xạ hiệu dụng của máy phát và cường độ tín hiệu tối thiểu cần thiết ở máy thu cho chất lượng tiếng chấp nhận được. Từ tổn hao đường truyền cực đại cho phép sẽ xác định được phạm vi phủ sóng hay kích thước cell, số site cần thiết để phủ
sóng toàn bộ khu vực nào đó. Các thành phần xác định tổn hao đường truyền được gọi là quỹ năng lượng đường truyền (RLB: Radio link budgets).
Quá trình phân tích quỹ năng lượng đường truyền sẽ bao gồm quá trình phân tích quỹ năng lượng đường truyền lên và phân tích quỹ năng lượng đường truyền xuống. Quỹ đường truyền tổng quát cho cả đường lên và đường xuống bao gồm các thành phần sau:
3.4.2.1. Các thông số cơ bản
Công suất phát
− Công suất máy phát trung bình trên một kênh lưu lượng (PTX TCH TB - dBm): là giá trị trung bình của công suất phát tổng trên một chu trình truyền dẫn với công suất phát cực đại lúc bắt đầu phát.
− Công suất máy phát cực đại trên một kênh lưu lượng (PTX TCH max - dBm): công suất tổng cộng tại đầu ra của máy phát cho một kênh lưu lượng đơn.
− Công suất máy phát tổng cộng cực đại (dBm): tổng công suất phát cực đại của tất cả các kênh.
Tổn hao
− Tổn hao do ghép, giắc cắm và do cáp (máy phát) (Lcap, body TX - dB): suy hao tổng cộng của tất cả các thành phần của hệ thống truyền dẫn giữa đầu ra của máy phát và đầu vào anten, tổn hao cơ thể.
− Tổn hao do bộ chia, đầu nối và do cáp (Máy thu) (Lcap, bodyRX - dB): bao gồm các tổn hao của tất cả các thành phần trong hệ thống truyền dẫn giữa đầu ra của anten thu và đầu vào của máy thu, tổn hao cơ thể.
Tăng ích của anten phát, an ten thu
− Tăng ích anten phát GTX (dBi): tăng ích cực đại của anten phát trong mặt phẳng ngang (xác định theo dB so với một vật phát xạđẳng hướng).
− Tăng ích anten thu GRX (dBi): tăng ích tối đa của anten thu trong mặt phẳng ngang (xác định theo dB so với một vật phát xạđẳng hướng).
EIRP của máy phát
− EIRP của máy phát trên một kênh lưu lượng (EIRPTCH - dBm): tổng công suất đầu ra máy phát cho một kênh (dBm), các suy hao do hệ thống truyền dẫn (-dB),
Tạp âm, nhiễu
− Hệ số tạp âm máy thu NF (Noise Figure - dB): hệ số tạp âm của hệ thống thu tại đầu vào máy thu.
− Mật độ tạp âm nhiệt N0 (dBm/Hz): công suất tạp âm trên một Hz tại đầu vào máy thu.
− Mật độ nhiễu máy thu I0 (dBm/Hz): công suất nhiễu trên một Hz tại đầu vào máy thu. Nó tương ứng với tỷ số công suất nhiễu trong dải chia cho độ rộng băng tần. Mật độ nhiễu máy thu I0đối với đường xuống là công suất nhiễu trên một Hz tại máy thu MS ở biên giới vùng phủ sóng, trong một cell phía trong.
− Mật độ tạp âm nhiễu hiệu dụng tổng cộng (fhd - dBm/Hz): tổng logarit của mật độ tạp âm nhiệt máy thu và hệ số tạp âm máy thu cộng số học với mật độ nhiễu máy thu.
hd 0 0
f =NF N+ +I (3.2) Độ nhạy máy thu
− Độ lợi xử lý (PG - dB): liên quan tới tốc độ kênh mang dịch vụ và được tính bởi công thức: 3840 10log (3.3) ( ) PG R kbps ⎡ ⎤ = ⎢ ⎥ ⎣ ⎦ R: là tốc độ kênh mang dịch vụ.
− Tỷ số Eb/(N0+I0) yêu cầu (dB): tỷ số giữa năng lượng thu được của một bit thông tin trên mật độ công suất nhiễu và tạp âm hiệu dụng cần thiết để thoả mãn được các mục tiêu về chất lượng.
− Độ nhạy máy thu (Pmin - dBm): mức tín hiệu cần đạt được tại đầu vào máy thu để có được tỷ số Eb/(N0+I0) yêu cầu.
min hd b/ ( 0 0) (3.4)
P = f +E N +I −PG
3.4.2.2. Các thông số khác
Độ lợi/ Suy hao chuyển giao (Gh - dB):độ lợi/suy hao (±) do việc chuyển giao
Tăng ích (độ lợi) phân tập (Gd - dB): tăng ích hiệu dụng đạt được nhờ sử dụng các kỹ thuật phân tập. Nếu tăng ích phân tập đã được gộp trong Eb/(N0+I0) thì nó sẽ không được tính thêm ởđây.
Các tăng ích khác (Go - dB): các tăng ích phụ, ví dụ nhưđa truy nhập phân tập theo không gian có thể tạo thêm tăng ích anten.
Độ dữ trữ nhiễu
Vì tất cả các cell dùng chung một tần số nên quỹ năng lượng đường truyền vô tuyến bao gồm nhiễu do các kết nối khác nhau từ cùng cell và các cell khác. Nhiễu này gọi là nhiễu đa truy nhập hay nhiễu bổ sung. Giá trị nhiễu này cần được xem xét đến khi tính quỹ năng lượng đường truyền vô tuyến và gọi là độ dự trữ nhiễu. Độ dữ trữ nhiễu (Interference Margin) là một hàm số của tổng cộng tải trong cell. Tải của cell và hệ số tải tác động nên vùng phủ, nên cần phải có độ dự trữ nhiễu. Nếu cho phép tải trong hệ thống càng lớn, độ dữ trữ nhiễu cần thiết cho đường lên càng lớn và vùng phủ càng nhỏ. Giá trị tải tổng cộng có ảnh hưởng trực tiếp đến vùng phủ cell và vì thế mà ảnh hưởng gián tiếp đến chất lượng của các dịch vụ. Trong quỹ năng lượng đường truyền vô tuyến, độ dự trữ nhiễu cho cả hướng Uplink và hướng Downlink được tính bởi công thức:
10log(1 ) (3.5)
IM = −η
η: là hệ số tải hướng lên (Uplink) hoặc hướng xuống (Downlink)
Độ dự trữ Fading nhanh (FFM)
Một số khoảng hở cần cho công suất phát của trạm di động để duy trì việc điều khiển công suất hợp lý. Thông số này được áp dụng một cách đặc biệt cho MS đi bộ di chuyển chậm mà tại đó điều khiển công suất nhanh có thể bù Fading nhanh một cách hiệu quả.
Độ dự trữ Fading chậm và độ lợi chuyển giao mềm (SFM)
Chuyển giao mềm hay ứng cung cấp một độ lợi chống lại Fading chậm bằng cách giảm độ dự trữ Fading chuẩn logarit yêu cầu. Do trên thực tế Fading chậm một phần không tương quan giữa các cell và bằng cách thực hiện chuyển giao, máy di động có thể chọn lựa một liên kết thông tin tốt hơn. Hơn nữa, chuyển giao mềm đem lại độ lợi phân tập bổ sung chống lại Fading nhanh bằng cách giảm tỷ số Eb/Nb tuỳ theo liên kết
Đô thị 95% 9.4 6.02
Ngoại Ô 92% 7.2 4
Nông thôn 90% 6 0.8
3.4.2.3. Suy hao đường truyền tối đa
Suy hao đường truyền tối đa (Lp - dB): suy hao tối đa để cho phép để máy thu có thể thu được tín hiệu từ máy phát tại biên giới cell. Suy hao tối đa được tính theo công thức:
( min ) ( , ) 0 (3.6)
p TCH RX cap body RX d h
L =EIRP − P +IM + G −L +G +G +G −FFM SFM−
Bảng 3.4. Giảđịnh các thông số truyền của máy di động
Thoại và data tốc độ thấp Data tốc độ cao
Công suất phát lớn nhất (PTX max) 21dBm 24dBm
Tăng ích anten (GTX, GRX) 0dBi 2dBi
Suy hao cơ thể (Lbody) 0dB 0dB
Bảng 3.5. Giảđịnh về quỹđường truyền của trạm gốc
Nhiễu (Noise figure - NF) 2.1dB tại tần số 2.1GHz Mật độ tạp âm nhiệt (N0) -174 dBm/Hz Tăng ích của Anten (GTX, GRX) 18 dBi (trạm gốc 3 sector)
CS 12,2: 5dB (GoS: 2%) CS 64: 2,8 dB (GoS: 1%) PS 64: 1,4 dB (BLER: 1%) PS 128 : 1 dB (BLER: 1%) Tỷ số Eb/N0 yêu cầu PS 384 : 1,5 dB (BLER: 1%) 0,5 dB khi sử dụng TMA (Tower Mounted Ammpifier) Suy hao cáp (Lcap)
3 dB khi không sử dụng TMA
Ngoài ra yếu tố anten ảnh hưởng đến quỹ công suất đường truyền chính là độ cao anten. Thông thường khi thực hiện lắp đặt hệ thống WCDMA từ hệ thống 2G hiện có nên anten mạng 3G thường được lắp đặt chung với cột anten của hệ thống 2G, với cơ sở hạ tầng hiện có của các mạng di động tại Việt Nam thì độ cao anten của hệ thống mới theo loại vùng phủ sẽ có giá trị như bảng sau:
Bảng 3.6. Độ cao an ten trạm gốc Loại vùng phủ Độ cao anten (m) Đô thịđông dân 25 Đô thị 30 Ngoại Ô 35 Nông thôn 45
Tính toán quỹ năng lượng đường truyền vô tuyến WCDMA, cần được thực hiện riêng cho từng ứng dụng khác nhau với tốc độ dữ liệu khác nhau. Ví dụ: dịch vụ thoại 12.2kbps, dịch vụ dữ liệu chuyển mạch kênh 144 kpbs, dịch vụ dữ liệu chuyển mạch gói 384kbps, dịch vụ HSDPA 7.2Mbps, HSDPA+ 14.4Mbps.
3.4.3. Xác định bán kính và vùng phủ sóng Cell
Sau khi xác định suy hao đường truyền tối đa cho phép dựa vào các tham số của quỹ năng lượng đường truyền (RLB), ta dễ dàng ứng dụng các mô hình truyền sóng để xác định bán kính cell. Mô hình truyền sóng nên chọn sao cho có thể mô tả tối ưu các điều kiện truyền sóng thực tế trong vùng cung cấp dịch vụ. Do đặc điểm truyền sóng không ổn định, nên các mô hình truyền sóng đều mang tính thực nghiệm. Hai mô hình truyền sóng được sử dụng rộng rãi là mô hình Hata – Okumura và Walfisch – Ikegami. Trong luận văn sử dụng mô hình truyền sóng Cost231-Hata (là mô hình Hata mở rộng cho tần số 1,5 – 2GHz):
[ ] [ as ] ( [ as ]) [ ]
46,3 33,9log ( ) 13,821log ( ) ( ) 44,9 6,55log ( ( ) log ( ) (3.7)
p B e mobile B e m
L = + f MHz − h m −a h + − h m × d km +C
Trong đó:
Cm = 0 dB cho khu vực thành phố nhỏ Cm = 3 dB cho các trung tâm thành phố lớn Cm = 2 2 log 5, 4 28 f ⎛ ⎞ − ⎜ ⎟ − ⎝ ⎠ cho vùng ngoại thành Cm = ( )2 4, 78 log fc 18,33log fc 35,94
− + − cho vùng nông thôn
Với 1 ≤ hmobile ≤ 10 thì:
( mobile) [1,1log ( ) 0, 7] mobile( ) [1,56 log ( ) 0,8] (3.8)
a h = f MHz − ×h m − f MHz −
Sau khi tính được kích thước cell, dễ dàng tính được diện tích vùng phủ với chú ý diện tích vùng phủ phụ thuộc vào cấu hình phân đoạn trạm gốc. Diện tích vùng phủ đối với một cell có cấu trúc lục giác đều được tính theo công thức:
2 . (3.9) S =K r Trong đó: S: là diện tích vùng phủ sóng. R: là bán kính cực đại cell K: là hằng số
Bảng 3.7. Các giá trị K sử dụng cho tính toán diện tích vùng phủ sóng
Cấu hình trạm Omni 2-sector 3-sector 6-sector
K 2,6 1,3 1,95 2,6
3.4.5. Phân tích dung lượng
Khi đã xác định được vùng phủ site, cấu hình site: số kênh (Channel elements – CE), số sector, số Carrier, mật độ site phải được lựa chọn để đáp ứng được lưu lượng yêu cầu cho site đó. Việc tính toán RLB của hệ thống RAN WCDMA phức tạp hơn so với hệ thống dựa trên TDMA, bán kính cell phụ thuộc vào số thuê bao đồng thời do mức dự trữ nhiễu. Do vậy việc phân tích kết hợp vùng phủ sóng và dung lượng được thực hiện ngay ở bước khởi tạo của quá trình định cỡ. Khi bắt đầu xây dựng mạng 3G, các nhà khai thác cần phải có thông tin và đánh giá khá chính xác về sự phát triển và phân bố thuê bao vì chúng có ảnh hưởng trực tiếp đến vùng phủ. Việc tìm ra các thông số cấu hình đúng cho mạng để đáp ứng yêu cầu lưu lượng và chi phí tối thiểu không phải là việc đơn giản. Số lượng sóng mang, số lượng sector, tải, số người sử dụng, tất cả chúng sẽảnh hưởng tới kết quả cuối cùng. Việc nắm rõ thông tin về dung lượng còn có tác dụng đảm bảo tiết kiệm chi phí đầu tư phần cứng trong quá trình quy hoạch triển khai mạng lưới WCDMA.
3.4.5.1. Giới thiệu mô hình tính toán dung lượng Erlang-B
Dựa vào quỹđường truyền và sử dụng mô hình truyền sóng phù hợp sẽ tính được vùng phủ ban đầu. Tuy nhiên đây mới chỉ là một phần quy hoạch ban đầu. Bước tiếp
theo của việc quy hoạch là tính toán dung lượng của hệ thống tối đa từ đó xem xét có hiệu quả để hỗ trợ tải hay dung lượng dự kiến ban đầu không. Thực tế không thể đạt được tải cell bằng 100% lý tưởng mà tải cell chỉđạt được khoảng 60%÷70%. Nếu thực tế chưa đạt yêu cầu thì cần phải quay lại bước ban đầu để định cỡ bổ sung thêm số trạm hoặc thực hiện nâng cấp/mở rộng thêm dung lượng tại các trạm sao cho đảm bảo được chi phí đầu tư mà vẫn thỏa mãn được các yêu cầu kỹ thuật đặt ra.
Một mô hình tính toán dung lượng thiết bị cần thiết nhằm thỏa mãn được nhu cầu dịch vụ của thuê bao với giá thành triển khai lắp đặt tối ưu là kỹ thuật lưu lượng. Kỹ thuật lưu lượng viễn thông nghiên cứu việc tối ưu cấu trúc mạng và điều chỉnh số lượng thiết bị được xác định trên cơ sở lưu lượng. Trong phạm vi đề tài, ta sẽ đi vào tìm hiểu ứng dụng mô hình lưu lượng Erlang-B:
9 Cấu trúc: có n kênh đồng nhất hoạt động song song và được gọi là một nhóm đồng nhất. Chiến lược: 1 cuộc gọi đến hệ thống được chấp nhận nếu có ít nhất một kênh rỗi. Nếu hệ thống bận thì cuộc gọi sẽ bị từ chối mà không gây một ảnh hưởng nào sau đó.
9 Lưu lượng: Lưu lượng phát sinh được định nghĩa là tỉ số giữa cuộc gọi trung