3.3.1 Suy hao đường truyền
a) D ự đ oỏn 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 và thiết kế mạng của mỡnh để cuối cựng đạt được một vựng phủ liờn tục bao 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 = 35km. 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]
SVTH: Phan Xuân Thọ GVHD: Nguyễn Phúc Ngọc
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 sau 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.
b) Cỏc mụ hỡnh chớnh lan truy ề n súng trong thụng tin di độ ng:
• 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
SVTH: Phan Xuân Thọ GVHD: Nguyễn Phúc Ngọc
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.
• Mụ hỡnh COST231:
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 1km, 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 1ữ3km, trỏi lại cell lớn cú thể mở rộng phạm vi bỏn kớnh lờn tới 35km. 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 1500ữ2000MHz 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)
= 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:
1. Nú đưa ra rất nhiều tham số cho mụi trường đụ thị.
2. Nú cú thể đỏp ứng được trờn phạm vi tần số 450ữ2200MHz.
3. 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 (5ữ50m)
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 (5ữ80m) <H>: độ cao trung bỡnh của cỏc toà nhà xung quanh điểm thu (5ữ50m) hb: độ cao của anten trạm gốc tại điểm thu (20ữ100m)
H: độ cao trung bỡnh của cỏc toà nhà xung quanh trạm gốc (H > hbo) d: khoảng cỏch giữa trạm gốc và điểm thu (0.5ữ10km)
f: tần số hoạt động (450ữ2200MHz)
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, cỏc toà nhà cao tầng,...). Điều này dẫn đến hiệu ứng che khuất (Shaddowing) làm giảm cường độ tớn hiệu thu, khi thuờ bao di chuyển cường độ thu sẽ thay đổi.
SVTH: Phan Xuân Thọ GVHD: Nguyễn Phúc Ngọc
* Fading Rayleigh: Khi mụi trường cú nhiều chướng ngại vật, tớn hiệu thu được từ nhiều phương khỏc nhau. Điều này nghĩa 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 thụng tin di động, ta cú được những cơ sở làm tiền đề cho việc tối ưu hoỏ vựng phủ súng. Bước đi quan trọng và khụng thể thiếu trong tối ưu hoỏ vựng phủ súng chớnh là quy hoạch cell.
3.3.3 Phõn tỏn thời gian
Phõn tỏn thời 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 (Reflection) 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 chuỗi 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 15ms, sẽ gõy phiền phức cho hệ thống giống như là nhiễu. Ta đó biết giỏ trị tối thiểu của C/I trong hệ thống GSM là 9dB.
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 15ms, bờn ngoài cửa sổ thời gian, phải cú giỏ trị tổng nhỏ hơn 9dB (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 ở cỏc trường hợp này tỉ số C/R thấp hơn mức ngưỡng C/R qui định.
Vỡ thực tế địa hỡnh mụi trường và vị trớ đặt trạm phỏt gốc BTS sẽ cú thể gõy phõn tỏn thời gian. Những nhõn tố sau cần phải được xem xột trước khi lựa chọn vị trớ đặt trạm:
− Dự đoỏn vựng phủ súng mong muốn và cỏc cell lõn cận
− 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 toà nhà cao bằng kim loại, ...
Trong tất cả những trường hợp như vậy phõn tỏn thời gian chỉ cú thể xảy ra khi hiệu quóng đường giữa tớn hiệu trực tiếp và tớn hiệu phản xạ từ những chướng ngại vật kể trờn lớn hơn cửa sổ cõn bằng (4.5km).
Núi chung sự nguy hiểm của phõn tỏn thời gian sẽ tăng cựng với khoảng cỏch giữa BTS và MS. Một MS gần BTS cú thể nhận được tớn hiệu phản xạ mạnh với hiệu quóng đường lớn nhưng vẫn khụng cú ảnh hưởng gỡ do tớn hiệu trực tiếp vẫn mạnh và tỉ số C/R vẫn đạt trờn giỏ trị tới hạn. Khi MS chuyển động tới gần vật phản xạ thỡ nguy cơ tỉ số C/R sẽ tăng lờn do tớn hiệu đến trực tiếp yếu đi khi hiệu số quóng đường giảm.
SVTH: Phan Xuân Thọ GVHD: Nguyễn Phúc Ngọc
Hiệu số quóng đường = D0 - DR (mà DR = D1 + D2) lớn Tớn hiệu trực tiếp mạnh
Tớn hiệu phản xạ yếu
Trường hợp này C/R trờn ngưỡng
Hiệu số quóng đường lớn Tớn hiệu đến trực tiếp yếu Tớn hiệu phản xạ mạnh
Trường hợp này C/R gần hoặc thấp hơn ngưỡng.
MS BTS D0 D1 D2 MS BTS D0 D2 D1
Hiệu quóng đường nhỏ Tớn hiệu trực tiếp yếu Tớn hiệu phản xạ mạnh
Trường hợp này C/R gần hoặc dưới ngưỡng. Nhưng vẫn nằm trong cửa sổ cõn bằng
Hỡnh 3.4: Phõn tỏn thời gian với cỏc trường hợp khỏc nhau
Những trường hợp trờn rất quan trọng để ta lưu ý rằng khi MS di chuyển đến rất gần chướng ngại vật gõy phản xạ thỡ tớn hiệu phản xạ cũng cú thể mạnh như tớn hiệu trực tiếp, tuy nhiờn trong trường hợp này hiệu quóng đường lại nhỏ và do vậy tớn hiệu phản xạ vẫn nằm trong cửa sổ cõn bằng.
3.3.4 Vấn đề nhiễu
Một đặc điểm của cell là cỏc kờnh đang sử dụng đó cú thể được sử dụng ở cỏc cell khỏc. Nhưng giữa cỏc cell này phải cú một khoảng cỏch nhất định. Điều này cú nghĩa là cell sẽ bị nhiễu đồng kờnh do việc cỏc cell khỏc sử dụng cựng tần số. Cuối cựng vựng phủ súng của trạm gốc sẽ bị giới hạn bởi lý do này hơn là do tạp õm thụng thường. Vỡ vậy, ta cú thể núi rằng một hệ thống tổ ong hoàn thiện là giới hạn được nhiễu mà đó được qui chuẩn, loại trừ được nhiễu hệ thống. Một vấn đề trong thiết kế hệ tổ ong là điều khiển cỏc loại nhiễu này ở mức chấp nhận được. Điều này được thực hiện một phần bởi việc việc điều khiển khoảng cỏch sử dụng lại tần số. Khoảng cỏch này càng lớn thỡ nhiễu càng bộ.
Để chất lượng thoại luụn được đảm bảo thỡ mức thu của súng mang mong muốn C (Carrier) phải lớn hơn tổng mức nhiễu đồng kờnh I (Interference) và mức nhiễu kờnh lõn cận A (Adjacent).
a) Nhi ễ u đồ ng kờnh C/I:
SVTH: Phan Xuân Thọ GVHD: Nguyễn Phúc Ngọc 46 MS BTS D0 D2 D1
Nhiễu đồng kờnh xảy ra khi cả hai mỏy phỏt phỏt trờn cựng một tần số hoặc trờn cựng một kờnh. Mỏy thu điều chỉnh ở kờnh này sẽ thu được cả hai tớn hiệu với cường độ phụ thuộc vào vị trớ của mỏy thu so với hai mỏy phỏt.
Tỉ số súng mang trờn nhiễu được định nghĩa là cường độ tớn hiệu mong muốn trờn cường độ tớn hiệu nhiễu (C/I = 10log(Pc/Pi)).
Trong đú:
Pc = cụng suất tớn hiệu thu mong muốn Pi = cụng suất nhiễu thu được.
Hỡnh 3.5: Tỉ số C/I
Hỡnh 3.5 ở trờn chỉ ra trường hợp mà mỏy di động (cellphone) đặt trong xe đang thu một súng mang mong muốn từ một trạm gốc đang phục vụ (Serving BS) và đồng thời cũng đang chịu một nhiễu đồng kờnh do nhiễu phỏt sinh của một trạm gốc khỏc (Interference BS).
Giả sử rằng cả hai trạm đều phỏt với một cụng suất như nhau cỏc đường truyền súng cũng tương đương (hầu như cũng khụng khỏc nhau trong thực tế) và ở điểm
Súng mang (Carrier) C/I > 0dB Nhiễu (Interference) C/I > 0 dB dB I C
giữa, mỏy di động cú C/I bằng 0dB, cú nghĩa là cả hai tớn hiệu cú cường độ bằng nhau. Nếu mỏy di động đi gần về phớa trạm gốc đang phục vụ nú thỡ C/I > 0dB. Nếu mỏy di động chuyển động về phớa trạm gõy ra nhiễu thỡ C/I < 0dB.
Theo khuyến nghị của GSM giỏ trị C/I bộ nhất mà mỏy di động vẫn cú thể làm việc tốt là 9dB. Trong thực tế, người ta nhận thấy rằng giỏ trị này cần thiết phải lờn đến 12dB ngoại trừ nếu sử dụng nhảy tần thỡ mới cú thể làm việc ở mức C/I là 9dB. Ở mức thấp hơn C/I thỡ giỏ trị BER sẽ cao khụng chấp nhận được và mó hoỏ kờnh cũng khụng thể sửa lỗi một cỏch chớnh xỏc được.
C/I được dựng cho cỏc mỏy di động phụ thuộc rất lớn vào việc quy hoạch tần số và mẫu tỏi sử dụng tần số. Núi chung, sử dụng lại tần số nhiều thỡ dung lượng tăng lờn đỏng kể nhưng tỉ số C/I lại giảm.
b) Nhi ễ u kờnh lõn c ậ n C/A:
Nhiễu kờnh lõn cận xảy ra khi súng vụ tuyến được điều chỉnh và thu riờng kờnh C song lại chịu nhiễu từ kờnh lõn cận C-1 hoặc C+1. Mặc dự thực tế súng vụ tuyến khụng được chỉnh để thu kờnh lõn cận đú, nhưng nú vẫn đề nghị một sự đỏp ứng nhỏ là cho phộp kờnh lõn cận gõy nhiễu tới kờnh mà mỏy thu đang điều chỉnh. Tỉ số súng mang trờn kờnh lõn cận được định nghĩa là cường độ của súng mang mong muốn trờn cường độ của súng mang kờnh lõn cận.
C/A = 10log(Pc/Pa)
Trong đú :
Pc = cụng suất thu tớn hiệu mong muốn Pa = cụng suất thu tớn hiệu của kờnh lõn cận