Định cỡ phần mạng truy nhập vô tuyến
Các bước chính của quá trình định cỡ là tính toán quỹ đường truyền, phân tích vùng phủ, dự tính dung lượng và dự tính thiết bị phần cứng cần thiết và cấu hình của nó. Các bước của quá trình định cỡ được thể hiện trong hình 4.10.
Hình 4.10: Biểu đồ quá trình định cỡ mạng
Bước đầu tiên là tính toán quỹ đường truyền với giả sử tải hệ thống cho phép tối đa, khi đó vùng phủ bị giới hạn, tiếp theo kích thước ô khởi tạo ban đầu được tính toán theo mô hình truyền sóng. Dựa trên kích thước ô, số người sử dụng trong mỗi ô được tính toán. Bước tiếp theo là tính toán hệ số tải của ô để kiểm tra tải ban đầu của hệ thống có bị vượt quá hay không. Nếu hệ số tải tính toán thấp hơn hệ số tải ban đầu thì cần phải giảm hệ số tải và quay lại vòng lặp. Nếu hệ số tải vượt quá hệ số tải ban đầu thì cần giảm khích thước ô hoặc tăng sóng mang. Bước cuối, là tính toán được số thiết bị phần cứng (số BTS, RNC ...) yêu cầu.
Tính toán quỹ đường truyền và kích thước ô
* Dự trữ nhiễu
Dự trữ nhiễu cần thiết trong quỹ đường truyền do tải của ô, hệ số tải, ảnh hưởng lên vùng phủ. Nếu tải cho phép trong hệ thống càng lớn thì dự trữ nhiễu
cần thiết càng lớn trong đường lên và diện tích vùng phủ càng nhỏ. Trong trường hợp giới hạn vùng phủ, dự trữ nhiễu nhỏ được đề nghị. Trong trường hợp dung lượng giới hạn, dự trữ nhiễu lớn có thể được sử dụng. Trong truờng hợp vùng phủ giới hạn này, cỡ ô bị giới hạn bởi tổn hao đường truyền cực đại cho phép trong quỹ đường truyền và dung lượng cực đại của giao diện vô tuyến ở trạm gốc không được sử dụng. Các giá trị thông thường của dự trữ nhiễu trong trường hợp vùng phủ giới hạn là 1,0-3,0dB, tương ứng với 20% - 50% tải.
* Dự trữ pha đinh nhanh (Độ dự trữ điều khiển công suất)
Độ dự trữ công suất rất cần thiết trong công suất của trạm di động để duy trì điều khiển công suất vòng kín nhanh tương đối. Đặc biệt với thuê bao người đi bộ, điều khiển công suất nhanh tỏ ra rất hiệu quả trong việc chống lại pha đinh nhanh. Giá trị thông thường của dự trữ pha đinh nhanh là 2-5 dB cho MS di động chậm.
* Độ lợi chuyển giao mềm
Chuyển giao mềm hoặc cứng đều tạo ra độ lợi chống lại pha đinh (pha đinh chuẩn log) bằng cách giảm dự trữ pha đinh chuẩn log yêu cầu. Điều này là lí do mà pha đinh chậm không tương quan giữa các trạm gốc và bằng cách chuyển giao, trạm di động có thể lựa chọn một trạm gốc tốt hơn. Chuyển giao mềm tạo ra độ lợi phân tập macro chống lại pha đinh nhanh bằng cách giảm Eb/N0 yêu cầu tương ứng của đường truyền vô tuyến đơn nhờ việc kết hợp phân tập macro. Độ lợi chuyển giao mềm được giả sử là 2-3dB trong ví dụ dưới đây, bao gồm độ lợi chống lại pha đinh chậm và pha đinh nhanh. Dưới đây ba ví dụ của quỹ đường truyền được đưa ra cho các dịch vụ thông thường của UMTS: dịch vụ thoại 12,2 kbps sử dụng mã hoá tiếng ARM, dịch vụ dữ liệu thời gian thực 144kbps và không thời gian thực 384kbps, trong môi trường ô macro đô thị, với tăng tạp âm đường lên dự tính là 3dB, dự trữ nhiễu 3dB được sắp đặt cho tăng tạp âm đường lên. Các giả thiết sử dụng cho quỹ đường truyền cho máy phát và máy thu và được chỉ ra trong bảng 4.1 và 4.2.
Đầu cuối thoại Đầu cuối dữ liệu
Công suất phát cực đại 21dBm 24 dBm
Hệ số khuếch đại anten 0 dBi 2 dBi
Tổn hao cơ thể 3 dB 0 dB
Bảng 4.1: Các giả định cho MS
Hệ số tạp âm 5,0 dB
Hệ số khuếch đại anten 18 dBi (trạm gốc 3 sector)
Eb/N0 yêu cầu Thoại: 5,0 dB, số liệu thời gian thực 144 kbps: 1,5 dB và số liệu không thời gian thực 384 kbps: 1,0 dB
Tổn hao cáp 2,0 dB
Bảng 4.2: Các giả định cho BTS Các thành phần quỹ đường truyền
Bảng 4.3 mô tả các thành phần tham chiếu điển hình sử dụng trong các tính toán quỹ đường truyền. Trong đường xuống BTS hoạt động như một máy phát và MS như một máy thu. Trong hướng ngược lại, MS lại hoạt động như một máy phát còn BTS lại đóng vai trò là máy thu. Để đầy đủ, các thành phần được định nghĩa lại như sau:
(a0) 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 phát.
(a1) 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.
(a2) Công suất máy phát tổng cộng tối đa → tổng công suất phát tối đa của tất cả các kênh.
(b) Tổn hao do ghép, jắc 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 anten (tất cả các tổn hao đều tính theo dB)
(c) Tăng ích anten phát (dBi) → tăng ích tối đa của anten phát trong mặt phẳng ngang (xác định theo dB so với một vật phát xạ đẳng hướng)
(d1) E.I.R.P của máy phát trên một kênh lưu lượng (dBm) → tổng công suất đầu ra máy phát cho một kênh (dBm), các suy hao của hệ thống truyền dẫn (-dB), và tăng ích anten máy phát (dBi) theo hướng bức xạ cực đại.
(d2) E.I.R.P của máy phát (dBm) → tổng của công suất máy phát tổng cộng (dBm), các suy hao do hệ thống truyền dẫn (-dB), và tăng ích anten phát (dBi).
(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 máy thu (tất cả các tổn hao đều tính theo dB)
(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 tạp âm nhiệt, No (dBm/Hz) → công suất tạp âm trên một Hz tại đầu vào máy thu. Lưu ý rằng (h) là theo đơn vị logarit còn H là theo đơn vị tuyến tính.
(i) (I) Mật độ nhiễu máy thu (Io (dBm/Hz)) → công suất nhiễu trên một Hz tại đầu vào máy thu. Nó tương ứng với tỉ số công suất nhiễu trong dải trên độ rộng băng tần. Lưu ý (i) là theo đơn vị logarit và (I) theo đơn vị tuyến tính. Mật độ nhiễu máy thu Io đối với đường xuống là công suất nhiễu trên một Hz tại máy thu MS ở biên vùng phủ sóng, trong một cell phía trong.
(j) Mật độ tạp âm và 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 (10log(Rb)) (dBHz) → tốc độ bít của kênh theo (dBHz); việc lựa chon Rb phải phù hợp với các giả thiết Eb.
(l) Tỉ số Eb/(No+Io) yêu cầu (dB) → tỉ 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 (j+k+l) (dBm) → mức tín hiệu cần đạt được tại đầu vào máy thu để có được tỉ số Eb/(No+Io) yêu cầu.
(n) Tăng ích/Suy hao chuyển giao (dB) → hệ số tăng ích/suy hao (±) do việc chuyển giao để duy trì độ tin cậy cụ thể tại biên cell.
(o) Tăng ích 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/(No+Io), thì nó sẽ không được đưa thêm ở đây.
(o’) Các tăng ích khác (dB) → các tăng ích phụ, ví dụ đa truy cập phân tập theo không gian có thể tạo ra thêm tăng ích anten.
(p) Dự phòng pha đinh Log-normal (dB) → được xác định tại biên cell đối với các cell riêng lẻ tương ứng với dự phòng yêu cầu để cung cấp độ sẵn có phủ sóng xác định trên các cell riêng lẻ.
(q) Suy hao đường truyền tối đa (dB) → suy hao tối đa để cho phép hoạt động SRTT tối thiểu tại biên cell. Suy hao tối đa = d1 - m + (e - f) + o + o’ + n - p.
(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.
Thành phần Hướng xuống Hướng
lên Tham chiếu: môi trường, các dịch vụ, kênh đa
đường
Xem phần 2.2 Xem phần 2.2 (a0) Công suất máy phát trung bình trên một dBm dBm
kênh lưu lượng
(a1) Công suất máy phát cực đại trên một kênh lưu lượng
dBm dBm
(a2) Công suất máy phát tổng cực đại dBm dBm (b) Tổn hao do bộ ghép, giắc nối, và cáp, …. 2 dB 0 dB (c) Tăng ích anten phát (ví dụ 18 dBi cho anten
gắn trên xe, 10 dBi đối với người đi bộ, 2 dBi trong nhà)
Thay đổi 0 dBi
(d1) E.I.R.P máy phát trên một kênh lưu lượng = (a1-b+c)
dBm dBm
(d2) E.I.R.P máy phát tổng cộng = (a1 - b + c) dBm dBm (e) Tăng ích anten thu (ví dụ 18 dBi cho anten
gắn trên xe, 10 dBi đối với người đi bộ, 2 dBi trong nhà)
0 dBi Thay đổi
(f) Tổn hao do giắc cắm và cáp 0 dB 2 dB
(g) Hệ số tạp âm máy thu 5 dB 5 dB
(h) Mật độ tạp âm nhiệt (đơn vị tuyến tính) -174 dBm/Hz 3.98 x 10-18 mW/Hz -174 dBm/Hz 3.98 x 10- 18 mW/Hz (i) Mật độ nhiễu máy thu
(I) Đơn vị tuyến tính
dBm/Hz mW/Hz dBm/Hz mW/Hz (j) Mật độ nhiễu và tạp âm tổng cộng = 10 log (10((g+h)/10) + I) dBm/Hz dBm/Hz
(k) Tốc độ thông tin (10 log (Rb) dBHz dBHz
(l) Tỉ số Eb/(No + Io) yêu cầu dB dB
(m) Độ nhạy máy thu = (j + k +l)
(n) Tăng ích chuyển giao dB dB
(o) Tăng ích phân cực dB dB
(o’) Tăng ích khác dB dB
(p) Dự phòng pha đinh log - normal dB dB
(q) Suy hao đường truyền tối đa = {d1-m+(e-f) +o+n+o’-p}
dB dB
(r) Bán kính tối đa m m
Bảng 4.3: Mô hình tham chiếu quỹ đường truyền Quỹ đường truyền cho đa dịch vụ
Trong quỹ đường truyền cho đa dịch vụ, quá trình phân tích để tính toán sự suy giảm do nhiễu hay hệ số tải có xét đến nhiễu của tất cả người dùng khác sử dụng các dịch vụ khác của họ. Điều này đưa ra kết quả là quỹ đường truyền chung, quỹ này nhằm mục đích cung cấp bán kính cell như nhau cho mọi loại dịch vụ bằng cách cố gắng để phù hợp với tất cả các công suất phát của thiết bị người dùng hoạt động. Nó cũng nhằm mục đích cân bằng hai hướng truyền (hướng lên và hướng xuống) mà không cần bất kỳ thông tin trước nào về đường truyền xác định giới hạn về phủ sóng. Quá trình này cho phép dự tính được mức độ suy giảm hoạt động của hệ thống do nhiễu không phụ thuộc vào các dự phòng, và có thể dẫn đến việc định cỡ thừa.
Một số ví dụ tham khảo về quỹ đường truyền cho các loại dịch vụ
Các quỹ đường truyền vô tuyến trong bảng 4.4 được tính toán cho dịch vụ thoại 12,2kbps đối với người sử dụng trong xe với độ suy hao do xe là 8dB. Trong trường hợp này không có dự trữ pha đinh nhanh vì tốc độ 120Km/h điều khiển công suất nhanh không thể bù cho pha đinh nhanh. Eb/No yêu cầu giả sử là 5dB. Eb/No phụ thuộc vào tốc độ bít, dịch vụ, đặc điểm của tuyến đa đường, tốc độ trạm di động, thuật toán thu và cấu trúc anten trạm gốc. Đối với thuê bao di động chậm Eb/No yêu cầu thấp nhưng mặt khác lại yêu cầu độ dự trữ pha đinh nhanh. Thông thường tốc độ thuê bao đi động chậm là yếu tố giới hạn dự trữ pha đinh trong định cỡ vùng phủ. Bảng 4.5 chỉ ra quỹ đường truyền cho dịch vụ dữ liệu thời gian thực khi xác suất vùng phủ môi trường trong nhà là 80%, được cung cấp bởi trạm gốc ngoài trời. Sự khác nhau giữa bảng 4.4 và bảng 4.5 là độ
lợi xử lí, công suất phát càng cao thì Eb/No yêu cầu càng thấp. Thêm vào nữa, độ dự trữ 4dB được sắp đặt cho điều khiển công suất nhanh để bù cho pha đinh nhanh ở tốc độ thuê bao 3km/h. Tổn hao thâm nhập toà nhà trung bình là 15dB.
Bảng 4.6 trình bày quỹ đường truyền cho dịch vụ dữ liệu 384kbps không thời gian thực, cho môi trường ngoài trời. Độ lợi xử lí thấp hơn trong các bảng khác do tốc độ bít cao hơn và Eb/No yêu cầu cũng thấp hơn so với các dịch vụ tốc độ thấp hơn. Quỹ đường truyền này được tính toán với giả thiết không có chuyển giao mềm.
Dịch vụ tiếng 12,2 kbps (đi xe tốc độ 120 km/h) Máy phát MS
Công suất phát cực đại 0,125 W (21 dBm)
a
Hệ số khuếch đại của anten (dBi) 0.0 b
Tổn hao cơ thể (dB) 3,0 c
EIRP (dB) 18 d= a+b-c
Máy thu trạm gốc
Mật độ phổ tạp âm nhiệt (dBm/Hz) -174,0 e
Hệ số tạp âm máy thu trạm gốc (dB) 5,0 f
Mật độ phổ tạp âm máy thu (dBm/Hz)
-169,0 g=e+f
Công suất tạp âm máy thu (dBm) -103,2 h=g+10×lg(384*1 04)
Dự trữ nhiễu 3,0 i
Công suất nhiễu ở máy thu (dBm) -103,2 j=10×lg(100,1(h+i )-100,1h) Tổng tạp âm hiệu dụng và nhiễu
(dBm)
-100,2 k=h+i
Độ lợi xử lý (dB) 25,0 l=10×lg(3840/12,2
)
Eb/N0 yêu cầu (dB) 5,0 m
Độ nhạy máy thu (dBm) -120,2 n=m-l+k Các phần tử khác
Hệ số khuếch đại anten trạm gốc (dBi)
18,0 o
Tổn hao cáp ở BTS (dB) 2,0 p
Dự trữ pha đinh nhanh 0,0 q
Tổn hao đường truyền cực đại 154,2 r=d-n+o-p-q
Xác suất phủ sóng (%) 95
Hằng số pha đinh log chuẩn (dB) 7,0 Thừa số mô hình truyền sóng 3,52
Dự trữ pha đinh log chuẩn (dB) 7,3 s
Độ lợi chuyển giao mềm (dB) 3,0 t
Tổn hao trong xe (dB) 8,0 u
Tổn hao truyền sóng cho phép đối với vùng phủ của ô (dB)
141,9 v=r-s+t-u
Bảng 4.4: Quỹ đường truyền tham khảo cho dịch vụ tiếng 12,2 kbps ARM (120 km/h, người sử dụng đi xe ô tô, có chuyển giao mềm)
Hiệu quả vùng phủ của WCDMA được định nghĩa là diện tích vùng phủ trung bình trên mỗi vị trí trạm gốc, theo đơn vị km2/vị trí đối với môi trường truyền dẫn tham khảo xác định trước, và mật độ lưu lượng được hỗ trợ.
Dịch vụ tiếng số liệu thời gian thực 144 kbps Máy phát MS
Công suất phát cực đại 0,25 W (24 dBm)
a
Hệ số khuếch đại của anten (dBi) 2.0 b
Tổn hao cơ thể (dB) 0,0 c
EIRP (dB) 26 d= a+b+c
Máy thu trạm gốc
Mật độ phổ tạp âm nhiệt (dBm/Hz) -174,0 e
Hệ số tạp âm máy thu trạm gốc (dB) 5,0 f Mật độ phổ tạp âm máy thu
(dBm/Hz)
-169,0 g=e+f
Công suất tạp âm máy thu (dBm) -103,2 h=g+10×lg(384*104)
Dự trữ nhiễu 3,0 i
Công suất nhiễu ở máy thu (dBm) -103,2 j=10×lg(100,1(h+i)- 100,1h) Tổng tạp âm hiệu dụng và nhiễu
(dBm)
-100,2 k=h+i
Độ lợi xử lý (dB) 14,3 l=10×lg(3840/12,2)
Eb/N0 yêu cầu (dB) 1,5 m
Độ nhạy máy thu (dBm) -113,0 n=m-l+k
Các phần tử khác Hệ số khuếch đại anten trạm gốc
(dBi)
18,0 o
Tổn hao cáp ở BTS (dB) 2,0 p
Dự trữ pha đinh nhanh 4,0 q
Tổn hao đường truyền cực đại 151,0 r=d-n+o-p-q
Xác suất phủ sóng (%) 80
Hằng số pha đinh log chuẩn (dB) 12,0 Thừa số mô hình truyền sóng 3,52
Dự trữ pha đinh log chuẩn (dB) 4,2 s
Độ lợi chuyển giao mềm (dB) 2,0 t
Tổn hao trong nhà (dB) 15,0 u
Tổn hao truyền sóng cho phép đối với vùng phủ của ô (dB)
133,8 v=r-s+t-u
Bảng 4.5: Quỹ đường truyền tham khảo cho dịch vụ số liệu thời gian thực 144 kbps (3km/h, người sử dụng trong nhà được phủ sóng bởi BTS ngoài trời, có
chuyển giao mềm)
Dịch vụ tiếng số liệu không thời gian thực 384 kbps
Máy phát MS
Công suất phát cực đại 0,25 W (24,0 dBm)
a
Hệ số khuếch đại của anten (dBi) 2.0 b
Tổn hao cơ thể (dB) 0,0 c
EIRP (dB) 26,0 d= a+b+c
Máy thu trạm gốc
Mật độ phổ tạp âm nhiệt (dBm/Hz) -174,0 e
Hệ số tạp âm máy thu trạm gốc (dB) 5,0 f
Mật độ phổ tạp âm máy thu (dBm/Hz)
-169,0 g=e+f
Công suất tạp âm máy thu (dBm) -103,2 h=g+10×lg(384*104)
Dự trữ nhiễu 3,0 i
Công suất nhiễu ở máy thu (dBm) -103,2 j=10×lg(100,1(h+i)- 100,1h) Tổng tạp âm hiệu dụng và nhiễu
(dBm)
-100,2 k=h+i
Độ lợi xử lý (dB) 10,0 l=10×lg(3840/384)
Eb/N0 yêu cầu (dB) 1,0 m
Độ nhạy máy thu (dBm) -109,2 n=m-l+k
Các phần tử khác Hệ số khuếch đại anten trạm gốc
(dBi)
18,0 o
Tổn hao cáp ở BTS (dB) 2,0 p
Dự trữ pha đinh nhanh 4,0 q
Tổn hao đường truyền cực đại 147,2 r=d-n+o-p-q
Xác suất phủ sóng (%) 95
Hằng số pha đinh log chuẩn (dB) 7,0 Thừa số mô hình truyền sóng 3,52
Dự trữ pha đinh log chuẩn (dB) 4,2 s
Độ lợi chuyển giao mềm (dB),đa ô 0,0 t
Tổn hao trong nhà (dB) 0,0 u Tổn hao truyền sóng cho phép đối
với vùng phủ của ô (dB)
139,9 v=r-s+t-u
Bảng 4.6: Quỹ đường truyền tham khảo dịch vụ dữ liệu không thời gian thực 384 kbps (3km/h, người sử dụng ngoài trời, kênh phương tiện kiểu A, không
chuyển giao mềm)
Từ quỹ đường truyền trên, bán kính ô có thể tính toán cho các mô hình truyền dẫn cho trước, ví dụ mô hình Okumura-Hata hoặc mô hình UMTS dành cho kênh người đi bộ và kênh phương tiện. Mô hình truyền dẫn mô tả sự truyền