3.2.1. Nhu cầu về thụng tin di động
Để xỏc định đươc nhu cầu về thụng tin di động thỡ chỳng ta phải căn cứ vào cỏc vấn đề sau:
- Số liệu thống kờ về dõn số và mật độ dõn cư từng khu vực; - Mức độ tăng trưởng kinh tế;
- Mức độ thu nhập bỡnh quõn;
- Nhu cầu về thụng tin liờn lạc núi chung dựa trờn cơ sở số mỏy điện thoại cố định;
- Kinh nghiệm phỏt triển mạng của cỏc mạng trước; - Giỏ thành hệ thống và thiết bị đầu cuối….
3.2.2. Yờu cầu lưu lượng cho mổi thuờ bao
Lưu lượng của một thuờ bao được tớnh theo cụng thức: A = 3600 *T n ; trong đú
n - 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). Theo số liệu thống kờ điển hỡnh thỡ:
n = 1 : trung bỡnh một người cú một cuộc gọi trong một giờ; T = 120 : thời gian trung bỡnh cho một cuộc gọi là 2 phỳt;
⇒ A = 3600 120 * 1 ≈ 33 mErlang/người sử dụng
Như vậy, để phục vụ cho 1000 thuờ bao ta cần một lưu lượng là 33 Erlang. Từ đõy, ta tớnh được tổng số kờnh yờu cầu trong mạng tổ ong.
3.2.3. Mức độ phục vụ GoS
Nếu hệ thống chuyển mạch hoặc số kờnh được thiết kế để mọi cuộc gọi đều được nối thụng thỡ hiệu quả sử dụng rất thấp (vỡ mạng sẽ trở nờn rỗi trong phần lớn thời gian). Khi đú giỏ thành mạng sẽ rất cao. Vỡ vậy, mạng sẽ được thiết kế với một mức độ nghẽn nào đú cú thể chấp nhận được nhằm tăng hiệu quả sử dụng. Khỏi niệm GoS lỳc này xỏc định phần trăm số cuộc gọi khụng thành cụng do thiếu tài nguyờn trờn tổng số cuộc gọi đang cần đấu nối đồng thời.
Số liệu thống kờ cho thấy cỏc thuờ bao cỏ nhõn sẽ khụng nhận biết được sự tắc nghẽn hệ thống ở mức dưới 10%. Tuy nhiờn để mạng hoạt động với hiệu suất cao và hiệu quả thỡ GoS thường từ 2% đến 5%.
Giả thiết một trung kế gồm 33 kờnh, một thuờ bao cú thể sử dụng bất kỳ một kờnh nào mà hiện tại đang rỗi. Như vậy với 1000 thuờ bao, mỗi thuờ bao cú lưu lượng 33 mErlang sẽ tải hết toàn bộ 33 kờnh này.
Tuy nhiờn, nếu GoS = 2%, cỏc kờnh này cú thể đảm nhiệm được một lưu lượng là bao nhiờu? Để trả lời được cõu hỏi này chỳng ta phải tra bảng Erlang (ở phần phụ lục).
Bảng này chỉ rừ một lưu lượng tương ứng với số lượng kờnh n khỏc nhau, mức độ phục vụ GoS khỏc nhau. Trở lại vớ dụ trờn ta cú số kờnh n = 33, mức nghẽn GoS = 2%, tương ứng lưu lượng là 24.626 Erlang. Vỡ mỗi thuờ bao cú lưu lượng là 33 mErlang nờn tổng số thuờ bao cú thể phục vụ là 24.626 /0.033 = 746 thuờ bao.
3.2.5. Khỏi niệm kờnh trong mạng GSM
Trong GSM chỳng ta phải phõn biệt giữa hai khỏi niệm kờnh và tần số. mỗi tần số sẽ cú 8 kờnh, vỡ vậy trong một cell sẽ cú tổng số là n*8 kờnh. Trong cỏc kờnh này, một kờnh được dựng cho thụng tin quảng bỏ BCCH (thường được mặc định ở khe thời gian TS0), và ớt nhất một kờnh cho thiết lập cuộc gọi (SDCCH). Thời gian trung bỡnh cho việc sử dụng SDCCH là 3s. Đồng thời, trung bỡnh số lần cập nhật vị trớ thường gấp 3 lần số lần thiết lập cuộc gọi. Vỡ vậy trong giờ bận, một thuờ bao sử dụng 4 kờnh SDCCH. Khi đú lưu lượng cho mỗi thuờ bao là :
n = 4 * 3/ 3600 = 0.0033 Erlang (bằng 1/10 lưu lượng kờnh TCH).
Nếu mỗi kờnh vật lý ghộp với 8 kờnh SDCCH sẽ cú một dung lượng 3.6271 Erlang ở mức nghẽn 2% (bảng Erlang – phụ lục). Cú nghĩa là khả năng phục vụ của một kờnh vật lý sẽ là:
3.6271/0.0033 = 1099 (thuờ bao) Khi đú dung lượng cần thiết cho TCH là:
1099 * 0.33 = 36.271 Erlang, tương ứng với 45 TCH.
Như vậy nếu ta sử dụng một kờnh vật lý với 8 SDCCH thỡ nú cú khả năng phục vụ cho 1099 thuờ bao, tương ứng với 45 TCH ở mức nghẽn GoS = 2%. Cũn nếu ghẽp một kờnh vật lý với 4 kờnh SDCCH ở mức nghẽn 2% thỡ
nú cú khả năng phục vụ cho khoảng 331 thuờ bao, 17 TCH ở mức nghẽn GoS = 2%. Như vậy trong khi thiết kế tựy theo yờu cầu về dung lượng mà ta sử dụng một trong 2 cỏch này.
3.2.6. Hiệu quả sử dụng trung kế
Ta đó xột một trung kế 33 kờnh với dung lượng 24.626 Erlang ở cấp độ dịch vụ GoS = 2 %. Để tớnh toỏn hiệu quả sử dụng trung kế, giỏ trị này được giảm 2 % và bằng 24.133 Erlang. Chia giỏ trị này cho tổng số kờnh ta sẽ được hiệu quả sử dụng kờnh: 24.133/33 = 73 %. Nghĩa là mỗi kờnh sẽ chiếm khoảng 73 % thời gian.
Số kờnh Lưu lượng với GoS = 2% Hiệu quả sử dụng 6 14 22 30 38 45 2.28 Erlang 8.20 Erlang 14.90 Erlang 21.93 Erlang 29.17 Erlang 35.16 Erlang 37% 57% 66% 72% 75% 78%
Bảng trờn cho ta thấy dung lượng sử dụng và hiệu quả sử dụng trung kế với cỏc kớch cỡ trung kế khỏc nhau. Qua đú ta thấy, với 45 kờnh trung kế thỡ hiệu quả sử dụng kờnh sẽ tăng gấp 2.1 lần so với 6 kờnh trung kế. Tức là trung kế càng lớn thỡ hiệu quả sử dụng kờnh càng cao.
3.2.7. Kớch thước mạng tổ ong
Để xỏc định kớch thước mạng tổ ong, ta cần xỏc định số kờnh cần thiết cho mỗi cell.
Vớ dụ: với lưu lượng 33 Erlang, mức độ dịch vụ trong giờ cao điểm là GoS = 2 %. Từ bảng Erlang ta tỡm được số kờnh là 43. Tuy nhiờn, cũng với
lưu lượng và cấp độ dịch vụ như trờn nhưng vựng phủ súng yờu cầu số cell nhiều hơn (giả sử là 5 cell). Trước tiờn lưu lượng tổng phụ thuộc vào yờu cầu sử dụng cell.
Vớ dụ:
Tờn Cell % Lưu lượng Lưu lượng (Erlang) Số kờnh A B C D E 40 25 15 10 10 13.20 8.25 4.15 3.30 3.30 20 14 10 8 8 Σ 100 33.00 60
Như vậy lưu lượng khi phõn bố trờn nhiều cell sẽ cần dựng nhiều kờnh hơn so với trường hợp toàn bộ lưu lượng được dồn vào một cell.
3.3. Cỏc yếu tố ảnh hưởng đến việc phủ súng3.3.1. Suy hao đường truyền 3.3.1. Suy hao đường truyền
Là quỏ trỡnh mà ở đú tớn hiệu thu giảm dần do khoảng cỏch trạm phỏt và trạm thu ngày càng tăng. Với một anten cho trước cụng suất phỏt suy hao đường truyền tỷ lệ với bỡnh phương của d*f với d là khoảng cỏch và f là tần số. Trong địa hỡnh thành phố suy hao cú thể tỉ lệ với d4 hoặc hơn thế.
3.3.1.1. Dự đoỏn chung
Hệ thống GSM được thiết kế với mục đớch là một mạng tổ ong dày đặc và bao trựm một vựng phủ súng rộng lớn. Cỏc nhà khai thỏc, thiết kế mạng của mỡnh sao cho cuối cựng đạt được một vựng phủ liờn tục bao trựm tất cả cỏc vựng dõn cư của đất nước. Vựng phủ súng được chia thành cỏc vựng nhỏ hơn là cỏc cell. Mỗi cell được phủ súng bởi một trạm phỏt vụ tuyến gốc BTS. Kớch thước cực đại của một cell thụng thường cú thể đạt tới bỏn kớnh R = 35 km. Vỡ vậy, suy hao đường truyền là khụng thể trỏnh khỏi.
Với một anten cho trước và một cụng suất phỏt đó biết, suy hao đường truyền tỉ lệ với bỡnh phương (d.f), trong đú d là khoảng cỏch từ trạm thu đến
trạm phỏt gốc BTS. Trong mụi trường thành phố, với nhiều nhà cao tầng, suy hao cú thể tỉ lệ với luỹ thừa 4 hoặc cao hơn nữa.
Dự đoỏn tổn hao đường truyền trong thụng tin di động GSM bao gồm một loạt cỏc vấn đề khú khăn, mà lý do chớnh bởi vỡ trạm di động luụn luụn di động và anten thu thấp. Những lý do thực tế này dẫn đến sự thay đổi liờn tục của địa hỡnh truyền súng, vỡ vậy trạm di động sẽ phải ở vào những vị trớ tốt nhất để thu được cỏc tia phản xạ.
Cỏch cơ bản mà đơn giản ta coi khụng gian truyền súng là khụng gian tự do. Giả thiết rằng khụng cú tia phản xạ và súng vụ tuyến được truyền trong khụng gian tự do. Với anten vụ hướng, ta cú cụng thức suy hao đường truyền trong khụng gian tự do:
Lf = 20log(4πd/λ) [dB]
Cụng thức này cú thể được viết lại như sau: Lf = 32.5 + 20logd + 20logf [dB] ;
trong đú
d - khoảng cỏch từ anten phỏt đến anten thu [km]; f - tần số làm việc [MHz].
Những cụng thức lý thuyết đơn giản và trọn vẹn trờn khụng cũn phự hợp trong mụi trường di động nữa, nơi mà truyền súng do nhiều đường là chủ yếu. Những súng này cũng bị tỏn xạ, nhiễu xạ, suy giảm do nhiều trạng thỏi khỏc nhau của cả vật thể cố định và vật thể chuyển động. Hơn nữa, sự khỳc xạ tầng đối lưu làm đường truyền súng bị uốn cong.
- Mụ hỡnh mặt đất bằng phẳng
Mụ hỡnh mặt đất được trỡnh bày trong hỡnh 3.2 cho thấy tổng tớn hiệu đến trong mỏy thu bao gồm thành phần đến trực tiếp cộng với thành phần phản xạ từ mặt đất (thành phần này cú thể được coi như là tớn hiệu gốc từ một anten ảo trong lũng đất). Hai súng này cựng nhau tạo thành súng khụng gian (Space Wave).
d Tx h1 h2 Rx Tx ảo
Hỡnh 3.2. Truyền súng trong trường hợp coi mặt đất là bằng phẳng Ta cú cụng thức sau để tớnh suy hao đường truyền:
L = 20.log(d2/h1.h2)
Nhưng trong thực tế, khoảng khụng gian giữa mỏy thu và mỏy phỏt thường cú cỏc vật chắn (hỡnh 3.3). Theo lý thuyết về truyền súng vụ tuyến, một chướng ngại vật sẽ làm suy giảm cường độ của tớn hiệu truyền thẳng. Sự suy giảm này phụ thuộc vào vật chắn trong tầm nhỡn thẳng của vật chắn.
Hỡnh 3.3. Vật chắn trong tầm nhỡn thẳng
Cụng thức dựng để tớnh toỏn sự suy giảm do vật chắn gõy ra: λ . 2 . 1 ) 2 1 .( 2 . d d d d h V = +
Trong thực tế cỏc loại địa hỡnh truyền súng thường rất phức tạp, khụng một cụng thức nào cú thể đề cập được hết cỏc loại địa hỡnh này. Vỡ vậy, đó
xuất hiện những mụ hỡnh truyền súng nhờ những đo đạc thực tế của cỏc nhà khoa học.
3.3.1.2. Cỏc mụ hỡnh chớnh lan truyền súng trong thụng tin di động
- Mụ hỡnh truyền súng Hata
Vào khoảng năm 1980, M.Hata đó giới thiệu mụ hỡnh toỏn học trong việc tớnh suy giảm đường truyền dựa trờn những phõn tớch dữ liệu của Okumula.
Cụng thức Hata:
Lp(đụ thị) = 69.55 + 26.16logf - 13.82loghb - a(hm) + (44.9 - 6.55loghb)logd ;
trong đú
Lp(đụ thị) - suy hao đường truyền đối với đụ thị đụng dõn (dB);
f - tần số súng mang (150ữ1500) MHz; hb - chiều cao của anten trạm gốc (30ữ200) m; hm - chiều cao anten mỏy di động (1ữ20) m;
d - khoảng cỏch từ trạm gốc đến mỏy di động (1ữ20) km.
Hệ số hiệu chỉnh anten a(hm) :
a(hm) = (1.1logf - 0.7)hm - (1.56logf - 0.8) Cũng cú cụng thức khỏc cho vựng đụng dõn
Lp(ngoại ụ) = Lp(đụ thị) - 2[log(f/28)]2 - 5.4
Lp(nụng thụn) = Lp(đụ thị) - 4.78(logf)2 + 18.33logf - 40.94 Mụ hỡnh Hata được sử dụng rộng rói nhưng trong cỏc trường hợp đặc biệt như nhà cao tầng phải sử dụng Microcell với anten lắp đặt dưới mỏi nhà cần phải sử dụng mụ hỡnh khỏc được giới thiệu tiếp theo.
COST (Collaborative studies in Science and Technology - Cộng tỏc nghiờn cứu khoa học và cụng nghệ) được sự bảo trợ của EU. COST231 bao gồm một số vấn đề liờn quan tới vụ tuyến của ụ và những mụ hỡnh truyền súng. 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 núi chung được đặt thấp hơn độ cao của toà nhà cao nhất.
Anten trạm gốc của cell lớn hoặc cell nhỏ núi chung đều được đặt phớa trờn của toà nhà cao nhất. Cell nhỏ của GSM được giới hạn trong phạm vi bỏn kớnh khoảng 1ữ3 km, trỏi lại cell lớn cú thể mở rộng phạm vi bỏn kớnh lờn tới 35 km. Dựa trờn cơ sở này, COST đưa ra mụ hỡnh Hata COST231.
Mụ hỡnh Hata COST231:
Mụ hỡnh này được thiết kế để hoạt động trong dải tần từ 1500ữ2000 MHz ở đụ thị hoặc ngoại ụ, ta cú cụng thức:
Lp = 46.3 + 33.9logf -13.82loghb - a(hm) + (44,9 - 6.55loghb)logd + Cm ;
trong đú
Lp - suy hao đường truyền (dB); f - tần số hoạt động (MHz); hb - độ cao anten trạm gốc (m); hm - độ cao anten mỏy di động (m); a(hm) - hệ số hiệu chỉnh anten;
d - khoảng cỏch từ trạm gốc đến mỏy di động (km);
Cm = 0dB đối với thành phố cỡ trung bỡnh hoặc trung tõm ngoại ụ;
3dB đối với trung tõm đụ thị.
- Mụ hỡnh SAKAGAMIKUBOL
Đõy là mụ hỡnh được phỏt triển dựa trờn kết quả của mụ hỡnh Okumura. Kết quả là cú được một mụ hỡnh đỏng quan tõm bởi những lý do sau:
- Nú cú thể đỏp ứng được trờn phạm vi tần số (450 ữ 2200) MHz;
- Nú đưa ra những qui định hợp lệ đối với những độ cao của anten trạm gốc thấp hơn đỉnh cỏc toà nhà, để tạo ra mụ hỡnh hữu ớch cho ứng dụng của microcell.
Cụng thức của mụ hỡnh này là:
Lp = 100 - 7.1logW + 0.023φ + 1.4loghs + 6.1log< H> - [ 24.37
-3.7(H/hbo)2]loghb + (43.42 - 3.1loghb)logd + 20logf + exp[ 13(logf - 3.23)] ;
trong đú
Lp - suy hao [dB];
W - bề rộng của đường tại điểm thu (5ữ50 m);
φ - gúc giữa trục của đường với đường thẳng nối từ anten trạm gốc đến mỏy di động;
hs - độ cao của tũa nhà cú đặt anten trạm gốc phớa điểm thu (5ữ80 m);
<H> - độ cao trung bỡnh của cỏc toà nhà xung quanh điểm thu (5 ữ 50 m);
hb - độ cao của anten trạm gốc tại điểm thu (20 ữ100 m); H - độ cao trung bỡnh của cỏc toà nhà xung quanh
trạm gốc (H > hbo) ;
d - khoảng cỏch giữa trạm gốc và điểm thu (0.5 ữ10 km); f - tần số hoạt động (450ữ2200 MHz) .
3.3.2. Vấn đề Fading
- Fading chuẩn loga
Trạm di động thường hoạt động ở cỏc mụi trường cú nhiều chướng ngại vật (cỏc quả đồi, tũa nhà…). Điều này dẫn đến hiệu ứng che khuất làm giảm cường độ tớn hiệu thu, khi thuờ bao di chuyển cường độ thu sẽ thay đổi.
Khi mụi trường cú nhiều chướng ngị vật, tớn hiệu thu từ nhiều phương khỏc nhau. Điều này cú nghỉa là tớn hiệu thu là tổng của nhiều tớn hiệu giống nhau nhưng khỏc pha và biờn độ.
Để giảm phần nào tỏc hại do Fading gõy ra, người ta thường tăng cụng suất phỏt đủ lớn để tạo ra một lượng dự trữ Fading, sử dụng một số biện phỏp như: phõn tập anten, nhảy tần…
Túm lại, qua phõn tớch những ảnh hưởng của cỏc tham số trờn đến mụi trường truyền súng, ta cú được những cơ sở làm tiền đề cho việc tối ưu húa vựng phủ súng.
Cỏc phương phỏp phũng ngừa suy hao truyền dẫn do Fading
Để cải thiện mỏy thu và chất lượng của tớn hiệu thu, cú 4 phương ỏn để thực hiện như sau:
- Phõn tập anten
Fading là một hiờn tượng ngẩu nhiờn khụng tương quan (khụng đồng thời) xảy ra với cỏc giỏ trị khỏc nhau của cựng một tham số tớn hiệu, cú tớnh chọ lọc theo tần số, thời gian. Vỡ vậy, cú một phương phỏp khắc phục fading là tiến hành thu phỏt tớn hiệu đồng thời ở cỏc giỏ trị khỏc nhau của cựng một tham số tớn hiệu. Do fading xảy ra khụng đồng thời nờn ở phớa thu luụn luụn nhận được tớn hiệu tốt.
Ở phớa thu, ta sử dụng 2 anten Rx độc lập thu cựng tớn hiệu rồi kết hợp cỏc tớn hiệu này lại ta sẽ cú một tớn hiệu ra khỏi bộ kết hợp ớt bị Fading hơn. Khoảng cỏch giữa 2 Tx và 2Rx phải đủ lớn để khụng gian tớn hiệu ở 2 anten nhỏ.
- Nhảy tần
Với Fading raile, mẫu Fading phụ thuộc vào tần số nghĩa là chỗ trũng