L ỜI CAM Đ OAN
3.1.4.1 Tính toán vùng phủ sóng
a. Phân tích vùng phủ
Quá trình phân tích vùng phủ vô tuyến là quá trình thực hiện khảo sát các địa
điểm cần phủ sóng và kiểu vùng phủ sóng cần cung cấp cho các địa điểm này. Các loại vùng phủ sóng thông thường như: các vùng thương mại, các vùng dân số có mật độ dân số cao, và các đường cao tốc chính. Do vậy cần phải có các thông tin về
các vùng cần phủ sóng. Các thông tin có thể dựa trên bản đồ như: mật độ dân cư, vùng đó là thành phố, ngoại ô, nông thôn, vùng nào là khu thương mại, khu công nghiệp…
Mục đích của quá trình khảo sát này bao gồm:
- Đảm bảo cung cấp một dung lượng phù hợp cho các vùng này.
- Biết được đặc điểm truyền sóng của vùng để xác định môi trường truyền sóng vì mỗi môi trường sẽ có tác động trực tiếp đến mô hình truyền sóng. Tùy thuộc vào kiểu môi trường mà có thể có các mức phủ sóng khác nhau. Ví dụ: đối với các vùng ngoại ô và thành thị thì cung cấp các vùng phủ trong nhà. Tuy nhiên, đối với các vùng có đường cao tốc thì chỉ cần đến vùng phủ trong xe. Còn các vùng phủ khác thì chỉ cần cung cấp các vùng phủ ngoài trời. Đối với các hệ
thống GSM khảo sát các nhân tố này đã có thể bắt tay vào thiết kế. Nhưng đối với các hệ thống WCDMA thì cần phải xem xét thêm kiểu dịch vụ sẽ cung cấp hoặc có sẵn trong vùng.
Các thông tin về vùng phủ sẽ được dùng để chuẩn bị quy hoạch vùng phủ
ban đầu. Thông thường quy hoạch vùng phủ sóng WCDMA thường quan tâm đến các loại hình phủ sóng như trong bảng 3.1.
Bảng 3.1 Các loại hình vùng phủ sóng phổ biến
Vùng phủ sóng Đặc điểm
Đô thị dông dân Thông thường đây là khu vực đông dân cư với nhiều nhà cao tầng, là khu trung tâm với văn phòng và các trung tâm mua sắm, giải trí , nhà ga...
Đô thị Thông thường đây là các khu vực đường phố và cây xanh xen kẽ một vài tòa nhà cao tầng, các tòa nhà cao tầng cách xa nhau
Ngoại ô Khu ngoại ô với các nhà vườn, công viên, khu nghỉ dưỡng Nông thôn Khu vực nông thôn
Một yếu tố nữa cũng ảnh hưởng đến vùng phủ sóng là xác định vùng phủ
theo dịch vụ. Nhưđã biết hệ thống WCDMA là hệ thống đa truy nhập dịch vụ với cấu trúc đa kênh có thể sử dụng được nhiều dịch vụ. Một số dịch vụ chính thường dùng trong hệ thống truy nhập WCDMA thể hiện trong bảng 3.2:
Bảng 3.2 Các loại dịch vụ chính của WCDMA
Kiểu kênh Dịch vụ hỗ trợ
CS12.2K Thoại (voice)
CS64K Thoại thấy hình
PS64K Email, Web
PS384K Email, Web, Video streaming, Mobile TV
HSDPA Dịch vụ Best Effort
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, chẳng hạn như hình 3.4 dưới đây sẽ mô tả bán kính tối đa của các loại dịch vụ
Hình 3.4 Vùng phủ sóng của Cell theo các dịch vụ khác nhau
Từ các yêu cầu về vùng phủ theo nhu cầu dịch vụ và kiểu vùng phủ, vấn đề
tiếp theo trong việc định cỡ mạng là tính quỹ đường truyền vô tuyến. Quỹ đường truyền vô tuyến đặc trưng cho từng loại dịch vụ, tức là mỗi loại dịch vụ yêu cầu một quỹđường truyền nhất định đảm bảo đáp ứng các yêu cầu đặt ra.
b. 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. Quỹđường truyền tổng quát cho cảđường lên và đường xuống bao gồm các thành phần sau:
a. 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, body RX - 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; nó được xác định theo dB so với một vật phát xạ đẳng 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), và tăng ích anten máy phát (dBi) theo hướng bức xạ cực đại.
EIRPTCH = PTX TCH max + GTX - Lcap, body TX (3.1)
- EIRP của máy phát: tổng của công suất máy phát của tất cả các kênh (dBm), các suy hao do hệ thống truyền dẫn (-dB), và tăng ích anten phát (dBi).
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 trên 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. fhd = NF + N0 + I0 (3.2)
Độ nhạy máy thu
- Độ lợi xử lý (Process gain - PG) (dB): liên quan tới tốc độ kênh mang dịch vụ và được tính bởi công thức: PG =10log10(3840/R(Kbps) (3.3), với 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 bít 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. Pmin= fhd +Eb/(N0+I0) –PG (3.4)
b. Các thông số khác
Độ lợi/ Suy hao chuyển giao (Gh - dB):độ lợi/suy hao (±) do việc chuyển giao để
duy trì độ tin cậy cụ thể tại biên giới cell.
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 đưa 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.
So với GSM, WCDMA có một số tham số riêng phải xem xét đến khi tính quỹ năng lượng đường truyền vô tuyến bao gồm:
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 xung. 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:
IM= 10 log10 (1-η), Với η là hệ số tải hướng Uplink hoặc Downlink. (3.5)
Độ dự trữ phadinh nhanh FFM (Fast Fading Margin) (khoảng hở điều khiển công suất).
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 phadinh nhanh một cách hiệu quả.
Độ dự trữ Fading chậm và độ lợi chuyển giao mềm (SFM - Slow Fading Margin)
Chuyển giao mềm hay ứng cung cấp một độ lợi chống lại Fading chậm bằng cách giảm độ dự trữ Fading chuẩn log 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 một độ lợi phân tập bổ sung chống lại Fading nhanh bằng cách giảm Eb/N0 tuỳ theo liên kết vô tuyến đơn do tác dụng của việc kết hợp phân tập macro.
Việc dự trữ Fading chậm theo yêu cầu sẽđánh giá được xác xuất vùng phủ sóng như hình 3.5.
HÌnh 3.5 Ảnh hưởng của SFM đến vùng phủ sóng
Thông thường trong các hệ thống WCDMA, thì SFM có giá trị và ảnh hưởng
đến hiệu suất vùng phủ như bảng 3.3. Bảng 3.3 Giá trị SFM các vùng phủ Thông số Đô thị đông dân Đô thị Ngoại ô Nông thôn Hiệu suất vùng phủ 95% 95% 92% 90% Hệ số chuẩn fading chậm, dB 11.7 9.4 7.2 6 Độ dự trữ fading chậm 8.08 6.02 4 0.8
c. Suy hao đường truyền tối đa:
Suy hao đường truyền tối đa (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:
Lp= EIRPTCH – (Pmin + IM) +(GRX- L cap, body RX)+Gd+Go+Gh –FFM-SFM (3.6)
Một số thông số giả thiết được thể hiện trong bảng 3.4, 3.5.
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 21dBm 24 dBm
Tăng ích anten 0dBi 2dBi
Bảng 3.5 Giảđịnh về quỹđường truyền của trạm gốc
Nhiễu (Noise figure) 2.1dB tại tần số 2.1GHz
Mật độ tạp âm nhiệt -174 dBm/Hz
Tăng ích của Anten 18 dBi (trạm gốc 3 sector)
Eb/N0 yêu cầu 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%) PS 384 : 1,5 dB (BLER: 1%)
Suy hao cáp 0,5 dB khi sử dụng TMA (Tower Mounted Ammpifier) 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 thì anten 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 3.6 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 12.2 kbps, dịch vụ dữ liệu chuyển mạch kênh 144kpbs, dịch vụ dữ liệu chuyển mạch gói 384kbps, dịch vụ HSDPA 7.2Mbps, HSDPA+ 14.4Mbps.
c. 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
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 Walfsch – Ikegami được trình bày trong phần phụ lục. Trong đề tài này, ta sử dụng mô hình truyền sóng Cost231- Hata (mở rộng của mô hình truyền sóng Hata cho tần số 1,5 – 2 GHz) như sau:
Lp=46.3+33.9lg(f(MHz))-13.82lg(hBase(m))-a(hmobile)+(44.9-6.55lg(hBase(m))*lg(d(km) )+Cm (3.7)
Trong đó:
Cm = 0 dB cho khu vực thành phố nhỏ Cm = 3 dB cho các trung tâm thành phố lớn Cm = - 2(log10 (f/28))2 -5.4 cho vùng ngoại thành
Cm = - 4,78.(log10fc)2 +18,33(log10fc) - 35,94 cho vùng nông thôn Với 1 ≤ hmobile ≤ 10 thì
(3.8)
L: Suy hao đường truyền sóng, Hm: chiều cao của UE (1 – 10m). d: Khoảng cách truyền sóng giữa node B và UE (1 – 20 km). Hbase: chiều cao anten (30 – 200 m); f: Tần số thu, phát (MHz).
d. Xác định vùng phủ sóng của Cell
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 phủđối với một cell có cấu trúc lục giác đều được tính như sau: S = K.r2 (3.9)
Trong đó: S là diện tích vùng phủ, r là bán kính cực đại cell, K là hằng số. Bảng 3.7 liệt kê một số giá trị của K.
Bảng 3.7 Các giá trị K sử dụng cho tính toán vùng phủ sóng.
Cấu hình trạm Omni 2-sector 3-sector 6-sector