Trên cơ sở phân tích vùng phủ sóng, tính toán quỹ đường truyền theo đường lên hoặc đường xuống, ta tính bán kính cell vùng phủ sóng theo mô hình trong hình 2.6.
Hình 2.6 Quá trình tính toán bán kính vùng phủ sóng. 2.2.1.1.1 Phân tích vùng phủ
Trong bước chuẩn bị điều đầu tiên nhà khai thác hướng tới là phải xác định được kiểu vùng phủ cho các khu vực cần phủ sóng. Trước hết phải tập trung phủ sóng các khu vực có mật độ dân số cao, nơi có mật độ người sử dụng qua lại đông, đó là các khu vực thương mại, khu văn phòng, khu dân cư mật độ dân số cao, khu công nghiệp, đường cao tốc chính...
Mục đích của quá trình này là:
– Để 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.
Mức vùng phủ sóng cho các khu vực sẽ phụ thuộc vào kiểu môi trường và địa hình. Các thông tin về vùng phủ sẽ được dùng để chuẩn bị bước quy hoạch vùng phủ ban đầu. Ví dụ đối với vùng ngoại ô và thành thị cung cấp vùng phủ trong nhà. Với vùng có đường cao tốc thì chỉ cần đến vùng phủ trong xe. Còn các vùng phủ khác chỉ cần cung cấp vùng phủ ngoài trời. Bảng 2.1 dưới đây mô tả các loại hình phủ sóng.
Thông số đầu vào
Tính suy hao đường truyền cho phép
Bán kính vùng phủ R yêu cầu theo các mô hình truyền sóng
Bảng 2.1 Các loại hình phủ sóng phổ biến.
Vùng phủ sóng Đặc điểm
Đô thị đông đúc - Dense urban
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 - Urban
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 - Sub Urban Khu ngoại ô với các nhà vườn và công viên, khu nghỉ dưỡng… Nông thôn - Rural Khu vực nông thôn.
Vì hệ thống WCDMA là hệ thống đa truy cập dịch vụ với cấu trúc đa kênh có thể sử dụng cho nhiều dịch vụ, nên việc xác định vùng phủ theo dịch vụ cũng là một yếu tố cũng ảnh hưởng tới vùng phủ sóng. Bảng 2.2 liệt kê các dịch vụ chính thường dùng trong hệ thống truy cập WCDMA.
Bảng 2.2 Các loại dịch vụ chính của WCDMA.
Kiểu kênh Dịch vụ hỗ trợ
CS 12.2K Voice
CS 64K Video Call
PS 64K Email, Web
PS 384K Email, Web, Video Streaming, Mobile TV
HSPA Best Effort Service
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 sẽ có các bán kính phục vụ khác nhau. Hình 2.7 mô tả bán kính tối đa của mỗi loại dịch vụ tương ứng [5].
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 quỹ đường truyền nhất định đảm bảo đáp ứng các yêu cầu đặt ra.
Hình 2.7 Bán kính vùng phủ tối đa của cell ứng với các loại dịch vụ. 2.2.1.1.2 Tính toán quỹ đường truyền vô tuyến
Cũng giống như các hệ thống thông tin di động tế bào khác, quỹ đường truyền trong hệ thống WCDMA dùng để tính toán suy hao đường truyền cho phép lớn nhất để tính toán vùng phủ (tính bán kính cell) của một trạm gốc và trạm di động. Các thành phần để tính suy hao cho phép lớn nhất của tín hiệu từ trạm phát đến trạm thu gọi là quỹ đường truyền. Quỹ đường truyền tổng quát cho cả đường lên và đường xuống bao gồm các thành phần sau:
a) Công suất máy phát (dBm):
a1) Công suất máy phát trung bình trên một kênh lưu lượng (dBm): 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.
a2) Công suất máy phát cực đại trên một kênh lưu lượng (dBm): công suất tổng cộng tại đầu ra của máy phát cho một kênh lưu lượng đơn.
a3) Công suất máy phát tổng cộng cực đại (dBm): tổng công suất phát cực đại của tất cả các kênh.
b) Tổn hao do ghép, giắc cắm và do cáp (máy phát) (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 của anten.
c) Tăng ích anten phát (dB): tăng ích cực đại của anten phát trong mặt
d) EIRP – Công suất bức xạ đẳng hướng tương đương của máy phát (dBm):
d1) EIRP của máy phát trên một kênh lưu lượng (dBm): tổng công suất đầu ra máy phát cho một kênh – PTX (dBm), các suy hao do hệ thống truyền dẫn – LFTX (–dB) và tăng ích anten máy phát – Gmax (dBi) theo hướng bức xạ cực đại. Σ = B B L G P EIRP C FTX TX C . max . (2.1)
Với BC là độ rộng băng của 1 băng thông truyền dẫn và BΣ là độ rộng băng của cả dải băng thông được cấp.
d2) EIRP của máy phát: tổng của công suất máy phát của tất cả các kênh (dBm), các suy hao do hệ thống truyền dẫn – LT (–dB), và tăng ích anten phát (dBi). T FTX TX L L G P EIRP . . max = (2.2)
e) Tăng ích anten thu (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.
f) Tổn hao do bộ chia, đầu nối và do cáp (Máy thu) (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 .
g) Hệ số tạp âm máy thu (dB): hệ số tạp âm của hệ thống thu tại đầu vào
máy thu.
h) (H) Mật độ tạo âm nhiệt, N0 (dBm/Hz): công suất tạp âm trên một Hz tại đầu vào máy thu. Lưu ý rằng (h) là giá trị logarit còn (H) là theo giá trị tuyến tính.
i) (I) 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. Lưu ý (i) là theo giá trị logarit và (I) theo giá trị tuyến tính. Mật độ nhiễu máy thu I0 đối 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.
j) Mật độ tạp âm nhiễu hiệu dụng tổng cộng (dBm/Hz): tổng logarit của
mật độ tạp âm máy thu và hệ số tạp âm máy thu cộng số học với mật độ nhiễu máy thu.
k). Tốc độ thông tin (10log10(Rb)) (dBHz): tốc độ bit của kênh theo (dBHz); việc lựa chọn Rb phải phù hợp với các giả thiết Eb.
l) 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.
m) Độ nhạy máy thu (dBm): mức tín hiệu cần đạt được tại đầu vào máy thu để có được tỷ số Eb/(N0+I0) yêu cầu:
m = j+k+l (2.3)
n) Độ lợi/Suy hao chuyển giao (dB): độ lợi/suy hao do việc chuyển giao để duy trì độ tin cậy cụ thể tại biên giới cell.
o) Tăng ích (độ lợi) phân tập (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 ở đây.
o’) Các tăng ích khác (dB): các tăng ích phụ, ví dụ như đa truy nhập phân
tập theo không gian có thể tạo thêm tăng ích anten.
p) Độ dự trữ Fading chuẩn Log (dB): được xác đinh tại biên giới cell đối
với các cell riêng lẻ ứng với độ dự trữ yêu cầu để cung cập xác suất phủ sóng xác định trên các cell riêng lẻ.
q) 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 (q) = d1–m+(e-f)+o+o’+n-p (2.4)
r) Bán kính tối đa, Rmax (km): được tính toán cho mỗi hoàn cảnh triển khai, nó được xác định bằng bán kính ứng với suy hao tối đa.
Đối với hệ thống WCDMA có một số tham số đặc biệt trong quỹ đường truyền không được sử dụng trong hệ thống truy cập vô tuyến công nghệ TDMA của mạng GSM. Các tham số đó bao gồm:
Độ dự trữ nhiễu là cần thiết trong quỹ đường truyền vì tải của cell, hệ số tải có ảnh hưởng đến vùng phủ. Nếu cho phép tải nhiều hơn trong hệ thống, thì sẽ cần phải có độ dự trữ nhiễu lớn hơn ở đường lên và như vậy vùng phủ sẽ nhỏ đi. Đối với các trường hợp vùng phủ bị giới hạn thì chỉ cần độ dự trữ nhiễu nhỏ hơn, còn với trường hợp dung lượng bị giới hạn thì cần phải dùng độ dự trữ nhiễu lớn hơn. Với trường hợp vùng phủ bị giới hạn, kích thước cell bị hạn chế bởi suy hao đường truyền cho phép lớn nhất trong quỹ đường truyền, và dung lượng giao diện của site trạm gốc không được sử dụng hết. Giá trị thông thường cho độ dự trữ nhiễu trong trường hợp vùng phủ bị giới hạn là 1,0-3,0 dB, ứng với 20-50% tải.
Quan hệ giữa hệ số tải và độ dự trữ nhiễu như sau:
( −η)
−
= 10.log10 1
IM (2.5)
• Độ dự trữ fading nhanh (khoảng hở điều khiển công suất):
Một số khoảng hở cần cho công suất phát của trạm di động nhằm duy trì việc điều khiển công suất nhanh vòng kín hợp lý. Tham số này được áp dụng đặc biệt cho các trạm di động đi bộ di chuyển chậm, với trạm di động như vậy điều khiển công suất nhanh có thể bù fadinh nhanh một cách hiệu quả. Các giá trị thông thường của độ dự trữ fading nhanh là 2,0-5,0 dB đối với các MS di chuyển chậm.
• Độ lợi chuyển giao mềm và độ dự trữ fading chậm:
Chuyển giao mềm hay cứng cung cấp một độ lợi chống fading chậm bằng cách giảm độ dự trữ fading chuẩn log cần thiết. Do trên thực tế fading chậm một phần không tương quan giữa các trạm gốc, và bằng cách thực hiện chuyển giao MS có thể chọn một trạm gốc tốt hơn. Chuyển giao mềm còn tạo ra một độ lợi phân tập bổ sung chống lại fading nhanh bằng cách giảm Eb/N0 cần thiết tùy theo liên kết vô tuyến đơn do tác dụng của việc kết hợp phân tập macro. Tổng độ lợi chuyển giao mềm là một hàm số của tốc độ trạm di động và phụ thuộc vào thuật toán kết hợp phân tập được sử dụng trong bộ thu và hiện trạng trễ kênh.
Trong các hệ thống WCDMA, độ dự trữ fading chậm có giá trị và ảnh hưởng đến hiệu suất vùng phủ như trong bảng 2.3.
Bảng 2.3 Giá trị độ dự trữ fading chậm thông dụng.
Dense urban Urban Suburban Rural
Hiệu suất phủ sóng 95% 95% 90% 90%
Độ dự trữ fading chậm
(dB) 6,0 6,06 4,1 3,8
Để tính toán quỹ đường truyền vô tuyến, cần quan tâm đến các tham số giả định như suy hao, độ lợi, công suất phát... của MS và các tham số tại Node-B như các tham số trong bảng 2.4 và bảng 2.5.
Bảng 2.4 Tham số giả định thông thường phần di động - MS.
Thoại & Data tốc độ thấp Data tốc độ cao
Công suất phát lớn nhất 21-22 dBm 24 dBm
Tăng ích anten 0 dBi 2 dBi
Suy hao cơ thể 3 dB 0 dB
Bảng 2.5 Tham số yêu cầu giả định cho Node-B.
Hình dạng nhiễu 2,1 dB tại tần số 2,1GHz
Tăng ích anten 18 dBi
E0/N0 yêu cầu CS 12,2: 4,3 dB (GoS: 2%) CS 64: 2,8 dB (GoS: 2%) 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
3 dB khi không sử dụng TMA
Ngoài ra độ cao anten cũng ảnh hưởng đến quỹ công suất đường truyền. 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 sau:
Loại vùng phủ Độ cao Anten
Dense Urban 25~30 m
Urban 30~35 m
Suburban 35~40 m
2.2.1.1.3 Tính toán bán kính cell
Một khi đã biết được suy hao đường truyền lớn nhất, dễ dàng áp dụng bất kỳ mô hình truyền sóng cho việc tính bán kính cell. Mô hình truyền sóng nên được chọn sao cho nó miêu tả tối ưu nhất các điều kiện truyền sóng trong khu vực. Những hạn chế của mô hình liên quan tới khoảng cách từ BS, độ cao anten tại BS, độ cao anten MS và tần số sóng mang. Mô hình Okamura-Hata thường được sử dụng cho môi trường macrocell.
Sau khi tính được suy hao đường truyền lớn nhất và có được độ dự trữ fading chậm cần thiết thì bán kính cell r có thể được tính theo các mô hình truyền sóng đã biết như trên. Vì mô hình Hata COST231 được áp dụng khá phổ biến trên thế giới và mang lại độ chính xác khá cao, tại Việt Nam các nhà khai thác mạng hiện nay cũng đang sử dụng mô hình này cho việc quy hoạch mạng vô tuyến. Do đó trong đồ án này ta áp dụng mô hình Hata COST231 để tính toán bán kính phủ sóng cho từng trường hợp cụ thể. Khi bán kính phủ sóng r của cell được xác định thì có thể tính được diện tích phủ sóng S của cell (phụ thuộc vào cấu hình sector của Node-B) theo công thức:
S = K·r2 (2.6)
Với K là hệ số ứng với số Sector trong cell có giá trị như trong bảng sau:
Bảng 2.7 Giá trị K theo cấu hình site.
Cấu hình site Vô hướng 2 Sector 3 Sector 6 Sector
Từ các thông số và đặc điểm đã nêu trên, ta có một mô hình tính toán quỹ đường truyền vô tuyến tương ứng với các loại dịch vụ khác nhau và từ đó đưa ra được bán kính cell phù hợp. Dưới đây mô tả một ví dụ tham khảo về cách tính bán kinh cell r dựa trên các yêu cầu về độ phủ sóng cho các loại dịch vụ tương ứng với từng loại vùng phủ khác nhau của khu vực đô thị, ngoại ô hay nông thôn.
Bảng 2.8 Kết quả tính bán kính tham khảo.
Tham số UrbanDense Urban Suburban Rural Công thức
Loại dịch vụ CS64 CS64 CS12,2 CS12,2 a Trạm Phát - Tx Công suất phát lớn nhất của MS (dBm) 22,00 22,00 21,00 21,00 b Suy hao cáp MS (dB) - - - - c
Suy hao cơ thể
(dB) - - - - d Tăng ích anten MS (dBi) - - - - e Công suất bức xạ đẳng hướng (dBm) 22,00 22,00 21,00 21,00 f = b - c - d + e Trạm Thu - Rx Tăng ích anten NodeB (dBi) 18,00 18,00 18,00 18,00 g Suy hao cáp NodeB (dB) 0,50 0,50 0,50 0,50 h
Suy hao cơ thể
Rx (dB) 3,00 3,00 - - i
Dạng nhiễu
Yêu cầu Eb/No (dB) 2,80 2,80 4,30 4,30 k Độ nhạy thu (dBm) -121,04 -121,04 -126,74 -126,74 l = -174+j+k+ +10.log10(a.1000) Hệ số tải (%) 70% 60% 50% 50% m Độ dự trữ nhiễu (dB) 5,23 3,98 3,01 3,01 n= -10.log10(1-m) Độ dự trữ fading nhanh (dB) 3,00 3,00 3,00 3,00 o Penetration loss (dB) 19,00 15,00 10,00 6,00 q Hiệu suất vùng phủ (%) 95% 95% 90% 90% Độ dự trữ fading chậm (dB) 6,06 6,00 4,10 3,80 r Tổng suy hao đường truyền (dB) 124,75 130,06 145,63 149,93 s = f+g-i-l-n-o-q-r Bán kính cell Chiều cao anten NodeB (m) 25,00 30,00 30,00 35,00 Mô hình áp dụng tính toán Hata Cost231 Hata Cost231 Hata Cost231 Hata Cost231 Chiều cao MS (m) 1,5 Hệ số hiệu chỉnh anten (dB) 0,05 0,05 0,05 0,05 Cm (dB) 3 3 0 0 Bán kính cell (km) 0,34 0,51 1,70 2,42
Diện tích phủ
sóng (km2) 0,22 0,50 5,65 11,44