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 Fading xảy ra ở cỏc vị trớ khỏc nhau đối với cỏc tần số khỏc nhau. Như vậy ta cú thể thay đổi tần số súng mang trong một số tần số khi cuộc gọi đang tiến hành, khi gặp chỗ trũng Fading chỉ một phần thụng tin bị mất. Để khụi phục lại thụng tin hoàn thiện ta dựng phương phỏp sau:
- Mó hoỏ kờnh
Ở truyền dẫn số người ta đo chất lượng của tớn hiệu được chủ yếu bằng số lượng cỏc bit thu được chớnh xỏc, đầu đến biểu diễn tỷ số bit lỗi BER. BER khụng thể bằng khụng do thay đổi đường truyền nếu cú được cho phộp một lương nhất định và cú khả năng khụi phục thụng tin này hoặc cú thể phỏt hiện trỏnh sử dụng thụng tin lỗi. BER quan trọng với phỏt số liệu hơn Voice.
Ở phương phỏp mó hoỏ kờnh ta phải phỏt đi một lượng thụng tin cú số bit lớn hơn nhưng sẽ đạt độ an toàn chống lỗi cao hơn. Mó hoỏ kờnh cú thể phỏt hiện và sửa lỗi ở từng bit thu.
Mỗi kờnh kiểm tra lỗi được chia thành mỗi khối và mó xoắn. Ở mó khối, một số bit kiểm tra được bổ sung vào một số bit thụng tin nhất định. Cỏc bit kiểm tra chỉ phụ thuộc vào cỏc bit thụng tin ở khối bản tin.
Ở mó hoỏ xoắn, bộ mó hoỏ tạo ra khối cỏc bit mó khụng chỉ phụ thuộc vào cỏc bit của khối bản tin hiện thời được dịch vào bộ mó hoỏ mà cũn phụ thuộc vào cỏc bit của khối trước.
Mó hoỏ khối thường được sử dụng khi cú bỏo hiệu định hướng theo khối và sử dụng để phỏt hiện lỗi khi thực hiện “ Yờu cầu tự động phỏt ” ARQ.
Mó hoỏ xoắn liờn quan nhiều hơn đến sửa sai lỗi. Cả hai mó này được sử dụng ở GSM. Hai bước mó hoỏ được dựng cho cả tiếng và số liệu.
- Ghộp xen
Cỏc lỗi bit thường xảy ra theo từng cụm đo cỏc chỗ trũng fading lẫn làm ảnh hưởng nhiều bit liện tiếp. Để giải quyết hiện tượng lỗi bit quỏ dài ta dựng phương phỏp ghộp xen kờnh để tỏch cỏc bit liờn tiếp của một bản tin sao cho cỏc bit này gửi đi khụng liờn tiếp.
Khi truyền dẫn khung 2 cú thể mất nếu khụng ghộp xen toàn khối bản tin sẽ mất nhưng ghộp xen sẽ đảm bảo chỉ thị thứ hai ở từng khối là bị mắc lỗi:
1 x 3 4 1 x 3 4 1 x 3 4 1 x 3 4
Mó hoỏ kờnh cú thể khụi phục lại thụng tin của tất cả cỏc khối. ở GMS bộ mó hoỏ kờnh cung cấp 456 bit cho từng 20 ms tiếng và được ghộp xen để tạo ra cỏc khối 57 bit.
Một khung tiếng 20ms tạo 456 bit, cỏc bit này được ghộp xen vào 8 nhúm 57 bit ở cỏc cụm bỡnh thường cú khoảng trống dành cho 2x27 bit.
57 1 26 1 57
Người ta thường bổ sung thờm một mức ghộp kờnh xen kẽ giữa 2 khung tiếng, điều này làm tăng thời gian trễ ở hệ thống nhưng cú thể cho phộp mất toàn bộ một cụm vỡ nú ảnh hưởng 12,5% số bit mỗi khung tiếng và cú thể được hiệu chỉnh bằng mó hoỏ kờnh.
3.3.3. Phõn tỏn thời gian
Phõn tỏn thơi gian xảy ra là do cú nhiều đường truyền súng từ mỏy phỏt đến mỏy thu. Hiện tượng phõn tỏn thời gian gõy ra một số vấn đề cho mạng thụng tin di động số. Việc sử dụng truyền dẫn số cũng gõy ra một số vấn đề khỏc như: phõn tỏn thời gian do cỏc tớn hiệu phản xạ gõy ra.
Sự phõn tỏn thời gian sẽ gõy ra hiện tượng “ giao thoa giữa cỏc ký tự ”. Giả thiết chỳng ta phỏt đi một chuổi bit 1 và 0. Nếu tớn hiệu phản xạ đi chậm hơn tớn hiệu đi thẳng đỳng 1 bit thỡ mỏy thu phỏt hiện bit 1 từ súng phản xạ đồng thời cũng phỏt hiện bit 0 từ súng đi thẳng.
Vỡ vậy, nếu cú phản xạ mà trễ lớn hơn hệ số cõn bằng mà hệ thống cú thể đỏp ứng thỡ ta khụng thể xỏc định chớnh xỏc được là cần bao nhiờu bộ cõn bằng. Giả sử cỏc tia phản xạ đến mỏy thu bờn ngoài cửa sổ thời gian, được định nghĩa là tớn hiệu phản xạ đến trong vũng 15 às, sẽ gõy ra phiền phức cho hệ thống giống như là nhiễu. Ta đó biết giỏ trị tối thiểu của C/I trong hệ thống GSM là 9 dB. Chỳng ta cú thể coi giỏ trị này là giỏ trị cực đại của phõn tỏn thời gian. Nghĩa là cỏc tớn hiệu phản xạ mà đến trễ hơn 15 às, bờn ngoài cửa sổ thời gian, phải cú giỏ trị tổng nhỏ hơn 9 dB (tỉ số này chớnh là C/R). Nhưng một điều cần phải chỳ ý ở đõy là cỏc tia phản xạ cũng được coi như là một phần của súng mang. Việc quy hoạch một hệ thống GSM phải chỉ ra được cỏc trường hợp đặc thự cú thể xảy ra hiện tượng giao thoa giữa cỏc ký tự, và cỏc trường hợp này tỉ số C/R thấp hơn mức ngưỡng C/R quy định.
Vỡ thực tế địa hỡnh mụi trường và vị trớ đặt trạm thu phỏt gốc BTS sẽ cú thể gõy ra phõn tỏn thời gian. Những nhõn tố sau cần phải được xem xột trước khi lựa chọn vị trớ đặt trạm:
- Diện tớch phủ súng của cell mong muốn; - Những khu vực trong cell cú thể gõy nhiễu; - Những vật thể cú thể gõy phản xạ;
- Trễ thời gian.
Những mụi trường nguy hiểm: (là những mụi trường cú thể gõy nờn vấn đề về phõn tỏn thời gian)
- Những vựng nỳi;
- Hồ sõu hoặc nhiều nhà cao tầng; - Những tũa nhà cao bằng kim loại….
Trong tất cả những trường hợp như vậy phõn tỏn thời gian chỉ xảy ra khi hiệu quảng đường giữa tớn hiệu trực tiếp và tớn hiệu phản xạ từ những chướng ngại vật kể trờn lớn hơn của sổ cõn bằng (4.5 km).
Núi chung sự nguy hiểm của phõn tỏn thời gian sẽ tăng cựng với khoảng cỏch giửa BTS và MS. Một MS gần BTS cú thể nhận được tớn hiệu