+ Kớch thước cell
Cell lớn: Bỏn kớnh phủ súng khoảng: n km ữ n*10 km (GSM: ≤ 35 km) Vị trớ thiết kế cỏc Cell lớn:
− Súng vụ tuyến ớt bị che khuất (vựng nụng thụn, ven biển…)
− Mật độ thuờ bao thấp.
− Yờu cầu cụng suất phỏt lớn.
Cell nhỏ:Bỏn kớnh phủ súng khoảng: n*100 m. (GSM: ≤ 1 km) Vị trớ thiết kế cỏc Cell nhỏ:
− Súng vụ tuyến bị che khuất (vựng đụ thị lớn).
−Mật độ thuờ bao cao.
−Yờu cầu cụng suất phỏt nhỏ.
Cú tất cả bốn kớch thước cell trong mạng GSM đú là macro, micro, pico và umbrella. Vựng phủ súng của mỗi cell phụ thuộc nhiều vào mụi trường.
Giải phỏp nõng cao dung lượng trong mạng GSM
Macro cell: được lắp trờn cột cao hoặc trờn cỏc toà nhà cao tầng.
Micro cell: lại được lắp ở cỏc khu thành thị, khu dõn cư.
Pico cell : thỡ tầm phủ súng chỉ khoảng vài chục một trở lại nú thường được lắp để tiếp súng trong nhà.
Umbrella: lắp bổ sung vào cỏc vựng bị che khuất hay cỏc vựng trống giữa cỏc cell.
Bỏn kớnh phủ súng của một cell tuỳ thuộc vào độ cao của anten, độ lợi anten thường thỡ nú cú thể từ vài trăm một tới vài chục km. Trong thực tế thỡ khả năng phủ súng xa nhất của một trạm GSM là 32 km
Một số khu vực trong nhà mà cỏc anten ngoài trời khụng thề phủ súng tới như nhà ga, sõn bay, siờu thị... thỡ người ta sẽ dựng cỏc trạm pico để chuyển tiếp
+Phương thức phủ súng
Hỡnh dạng của cell trong mỗi một sơ đồ chuẩn phụ thuộc vào kiểu anten và cụng suất ra của mỗi một BTS. Cú hai loại anten thường được sử dụng: anten vụ hướng (omni) là anten phỏt đẳng hướng, và anten cú hướng là anten bức xạ năng lượng tập trung trong một rẻ quạt (sector).
Phỏt súng vụ hướng – Omni directional Cell (3600)
Anten vụ hướng hay 3600 bức xạ năng lượng đều theo mọi hướng.
Hỡnh 4.10. Omni (3600) Cell site Khỏi niệm Site: Site được định nghĩa là vị trớ đặt trạm BTS.
Với Anten vụ hướng: 1 Site = 1 Cell 3600
Phỏt súng định hướng – Sectorization:
Lợi ớch của sectorization (sector húa):
−Cải thiện chất lượng tớn hiệu (Giảm can nhiễu kờnh chung).
Giải phỏp nõng cao dung lượng trong mạng GSM
Hỡnh 4.11. Sector húa 1200
Với Anten định hướng 1200: 1 Site = 3 Cell 1200
4.3.Chia cell
Hỡnh 4.12. Phõn chia Cell
Một cell với kớch thước càng nhỏ thỡ dung lượng thụng tin càng tăng. Tuy nhiờn, kớch thước nhỏ đi cú nghĩa là cần phải cú nhiều trạm gốc hơn và như thế chi phớ cho hệ thống lắp đặt trạm cũng cao hơn.
Khi hệ thống bắt đầu được sử dụng số thuờ bao cũn thấp, để tối ưu thỡ kớch thước cell phải lớn. Nhưng khi dung lượng hệ thống tăng thỡ kớch thước cell cũng phải giảm đi để đỏp ứng với dung lượng mới. Phương phỏp này gọi là chia cell.
Tuy nhiờn, sẽ khụng thực tế khi người ta chia nhỏ toàn bộ cỏc hệ thống ra cỏc vựng nhỏ hơn nữa và tương ứng với nú là cỏc cells. Nhu cầu lưu lượng cũng như mật độ thuờ bao sử dụng giữa cỏc vựng nụng thụn và thành thị cú sự khỏc nhau nờn đũi hỏi cấu trỳc mạng ở cỏc vựng đú cũng khỏc nhau.
Giải phỏp nõng cao dung lượng trong mạng GSM
Cỏc nhà quy hoạch sử dụng khỏi niệm cells splitting để phõn chia một khu vực cú mật độ thuờ bao cao, lưu lượng lớn thành nhiều vựng nhỏ hơn để cung cấp tốt hơn cỏc dịch vụ mạng. Vớ dụ cỏc thành phố lớn được phõn chia thành cỏc vựng địa lý nhỏ hơn với cỏc cell cú mức độ phủ súng hẹp nhằm cung cấp chất lượng dịch vụ cũng như lưu lượng sử dụng cao, trong khi khu vực nụng thụn nờn sử dụng cỏc cell cú vựng phủ súng lớn, tương ứng với nú số lượng cell sẽ sử dụng ớt hơn để đỏp ứng cho lưu lượng thấp và số người dựng với mật độ thấp hơn.
Đứng trờn quan điểm kinh tế, việc hoạch định cell phải bảo đảm lưu lượng hệ thống khi số thuờ bao tăng lờn, đồng thời chi phớ phải là thấp nhất. Thực hiện được điều này thỡ yờu cầu phải tận dụng được cơ sở hạ tầng của đài trạm cũ. Để đỏp ứng được yờu cầu này, người ta sử dụng phương phỏp giảm kớch thước cell gọi là tỏch cell (cells splitting).Theo phương phỏp này việc hoạch định được chia thành cỏc giai đoạn sau:
4.3.1. Giai đoạn 0 (phase 0):
Khi mạng lưới mới được thiết lập, lưu lượng cũn thấp, số lượng đài trạm cũn ớt, mạng thường sử dụng cỏc “omni cell” với cỏc anten vụ hướng, phạm vi phủ súng rộng.
Hỡnh 4.13. Cỏc Omni (3600) Cells ban đầu
Khi mạng được mở rộng, dung lượng sẽ tăng lờn, để đỏp ứng được điều này phải dựng nhiều súng mang hơn hoặc sử dụng lại những súng mang đó cú một cỏch thường xuyờn hơn.
Tuy nhiờn, mọi sự thay đổi trong quy hoạch cấu trỳc tần số phải gắn liền với việc quan tõm tới tỉ số C/I. Cỏc tần số khụng thể được ấn định một cỏch ngẫu nhiờn
Giải phỏp nõng cao dung lượng trong mạng GSM
cho cỏc cell. Để thực hiện được điều này, phương phỏp phổ biến là chia cell theo thứ tự.
4.3.2. Giai đoạn 1(Phase 1): Sector húa
Thay anten vụ hướng (omni) bằng 3 anten riờng biệt định hướng dải quạt 1200
là một giải phỏp tỏch chia một Cell thành 3 Cells. Đú là giải phỏp dải quạt húa (sectorization – sector húa). Cỏch làm này khụng đũi hỏi thờm mặt bằng cho cỏc Cell mới. Tuy cỏc Cell mới phõn biệt nhau theo chức năng mạng nhưng chỳng vẫn ở tại mặt bằng cũ.
Khi đú, tại mỗi vị trớ cũ bõy giờ cú thể phục vụ được 3 cell mới, những cell này nhỏ hơn và cú 3 anten định hướng được đặt ở vị trớ này, gúc giữa cỏc anten này là 1200.
Hỡnh 4.14. Giai đoạn 1: Sector húa 4.3.3 Giai đoạn 2: Tỏch chia nhỏ hơn nữa về sau
+ Tỏch chia Cell 1:3 thờm lần nữa
Hỡnh 4.12. trỡnh bày việc tỏch chia 3 thờm lần nữa. Lần tỏch này sử dụng lại mặt bằng cũ và thờm mới gấp đụi mặt bằng mới cho cỏc BTS mới.
Giải phỏp nõng cao dung lượng trong mạng GSM
Ở mặt bằng cũ, anten cần quay đi 300 ngược chiều kim đồng hồ. Như vậy tổng số mặt bằng gấp 3 lần mặt bằng cũ để trả giỏ cho sự tăng dung lượng mạng lờn gấp 3 lần.
Hỡnh 4.15. Tỏch chia 1:3 thờm lần nữa + Tỏch chia 1:4(sau lần đầu chia 3)
Giải phỏp nõng cao dung lượng trong mạng GSM
Hỡnh 4.16. Tỏch chia 1:4 (sau lần đầu chia 3)
Sự tỏch chia này khụng đũi hỏi xoay hướng anten ở tất cả cỏc BTS cú mặt bằng cũ. Vị trớ BTS mặt bằng mới được biểu thị trờn hỡnh vẽ 4.13.
Số lần sử dụng lại tần số, dung lượng hệ thống và số lượng mặt bằng BTS đều tăng 4 lần so với trước khi chia tỏch.
Tựy theo yờu cầu về dung lượng hệ thống, việc chia cell cú thể được thực hiện tiếp tục. Tuy nhiờn, mọi sự thay đổi trong quy hoạch cấu trỳc tần số phải gắn liền với việc quan tõm tới tỉ số nhiễu C/I.
Bõy giờ ta hóy xột một vớ dụ để thấy được sự tăng dung lượng khi thu hẹp kớch thước cell. Giả thiết rằng hệ thống cú 24 tần số và chỳng ta bắt đầu từ một cụm 7 cell cú bỏn kớnh cực đại 14 km. Sau đú chỳng ta thực hiện cỏc giai đoạn 1 tỏch 3 và 1 tỏch 4.
Cũng giả thiết rằng một thuờ bao cú lưu lượng 0,02 Erlang với mức độ phục vụ GoS = 5%. Với 24 tần số, nghĩa là số kờnh logic của hệ thống sẽ là:
24 * 8 = 192 kờnh
Trong giai đoạn thứ nhất, khi 1 cụm (số nhúm tần số) là N = 7, thỡ số kờnh lưu lượng TCH cho mỗi cell là:
Giải phỏp nõng cao dung lượng trong mạng GSM
Trong giai đoạn tiếp theo, khi một cụm cú N = 21. Số kờnh lưu lượng cho mỗi cell là:
(192 - 21)/21 = 171/21 = 8 TCH
Trong giai đoạn thứ nhất, ta phải sử dụng 2 kờnh cho việc điều khiển. Trong cỏc giai đoạn tiếp theo ta chỉ cần dành 1 kờnh cho việc điều khiển là đủ.
Căn cứ bảng Erlang ta sẽ cú bảng thống kờ về mật độ lưu lượng qua cỏc bước tỏch cell như sau:
Bảng 4.9. Thống kờ mật độ lưu lượng
Từ bảng ta thấy, trong lần tỏch thứ nhất, dung lượng bị giảm (số thuờ bao trờn 1 km2
giảm từ 2 xuống cũn 1,4) là do hiệu suất trung kế bị giảm khi số kờnh trờn một cell ớt đi. Tuy nhiờn, đõy là một bước khụng thể thiếu được để thực hiện cỏc bước tiếp theo. Đối với cỏc bước tiếp theo là qui trỡnh 1 tỏch 4, bỏn kớnh cell giảm 2 lần, nhưng dung lượng tăng 4 lần.
Như vậy, ta thấy rằng biện phỏp “ cell split ” làm giảm kớch thước của cell. Nhưng cũng làm tăng dung lượng hệ thống. Biện phỏp này phải được ỏp dụng theo từng giai đoạn phỏt triển của mạng. Tuy nhiờn, biện phỏp này cũng cú một số hạn chế bởi kớch thước cell cũng cú giới hạn (giới hạn trờn là do cụng suất bức xạ của BTS và MS cú hạn, giới hạn dưới là do vấn đề nhiễu). Đồng thời việc lắp đặt cỏc vị trớ trạm mới đũi hỏi kinh phớ lớn, việc khảo sỏt để chọn được những vị trớ thớch hợp cũng gặp nhiều khú khăn (nhà trạm đặt thiết bị, xõy dựng cột anten, mạng điện lưới thuận tiện...)
Để giải quyết vấn đề dung lượng ở những khu vực cú mật độ rất cao mà cỏc biện phỏp trờn khụng giải quyết được, thỡ việc sử dụng cỏc “ minicell ” và cỏc “ microcell ” sẽ trở nờn phổ biến với phạm vi phủ súng nhỏ, cụng suất bức xạ của BTS (thường là cỏc trạm Repeater) thấp. Giai đoạn Bỏn kớnh ụ N TCH mỗi ụ Phạm vi ụ Số thuờ bao/ 1 ụ Số thuờ bao/km2 Hiệu quả trung kế 0 14 km 7 25 499,2km2 999 2,0 76% 1 8 km 21 8 166,4km2 227 1,4 54% 2 4 km 21 8 41,6 km2 227 5,5 54% 3 2 km 21 8 10,4 km2 227 21,8 54%
Giải phỏp nõng cao dung lượng trong mạng GSM
4.4. Thay đổi quy hoạch tần số theo phõn bố lưu lượng
4.4.1. Thay đổi quy hoạch tần số
Sự phõn bố lưu lượng
Sự thay đổi lưu lượng và hiệu ứng điểm núng ( Hotspot ) hỡnh thành nhu cầu tăng thờm kờnh tần số ở một số Cell nào đú. Khi đú người ta nghĩ ngay đến khả năng lấy kờnh tần số ở Cell nào cú lưu lượng rất nhỏ để thờm vào cho Cell nào cú lưu lượng quỏ lớn. Tuy nhiờn, việc làm này phỏ hỏng quy hoạch tần số và mang lại can nhiễu quỏ mức cho phộp nếu như việc thực thi khụng đỳng khoa học
Hỡnh 4.17. Thay đổi quy hoạch tần số
Hỡnh 4.17 biểu thị một tỡnh huống như vậy: Đõy là mẫu tỏi sử dụng tần số 4/12. Tại mảng mẫu X, cell D1 cần 3 kờnh tần số để đảm bảo lưu lượng, trong khi cell C3 chỉ cần 1 kờnh tần số để đỏp ứng lưu lượng tại thời điểm đang xột.
Giải phỏp nõng cao dung lượng trong mạng GSM
Tại cell C3, cú hai kờnh tần số 94 và 106, như vậy nờn chọn tải tần 94 hay 106 để chuyển sang D1?
Ảnh hưởng tới C/A
Cell D1 và Cell D3 là hai Cell liền kề. Tải tần 94, 106 của Cell C3 liền kề với tải tần 95, 107 của Cell D3. Chớnh vỡ vậy, chọn tải tần nào dự là 94 hay 106 để đưa sang D1 thỡ đều làm tăng can nhiễu kờnh kề, đối với MS ở biờn giới D1 và D3 thỡ tỷ số C/A của chỳng gần bằng 0 dB
Ảnh hưởng tới C/I
Nếu chọn tải tần 94 hay 106 từ Cell C3 đưa sang D1 thỡ cự ly sử dụng lại tần số 94 hay 106 bõy giờ là từ Cell D1 của mảng mẫu X đến Cell C3 của mảng mẫu Y, tức là đó giảm đi một nửa so với ban đầu. Nghĩa là nhiễu kờnh chung tăng lờn nghiờm trọng, tỷ số C/I giảm đỏng kể.
Vỡ bỏn kớnh Cell R vẫn giữ nguyờn mà cự ly sử dụng lại tần số của tải tần chuyển sang giảm chỉ cũn chỉ cũn một nửa, nghĩa là D/R cũn lại một nửa so với quy hoạch trước. Về lý thuyết, điều đú làm giảm tỷ số C/I chừng 6 ữ 8 dB
Muốn phõn tớch chớnh xỏc C/ I, phải kể đến yếu tố địa hỡnh thực tế và cỏc nhõn tố mảng mẫu. Điều này cần đến cụng cụ phần mềm đặc biệt để xử lý vấn đề bằng mỏy tớnh.
Một trong những giải phỏp cho vấn đề này là cấu trỳc đồng tõm của cell được tăng cường thờm tải tần lấy từ cell khỏc. Khi đú, cỏc tải tần sẵn cú ban đầu của cell vẫn được dựng như vốn cú, cũn tải tần tăng cường được phỏt cụng suất bộ hơn ở mức microcell
Giải phỏp nõng cao dung lượng trong mạng GSM
Cụng cụ phần mềm quy hoạch vụ tuyến sẽ tớnh đến nhiều yếu tố sau khi chuyển kờnh tần số :
- Sự khỏc nhau về cụng suất phỏt vụ tuyến cả cỏc BTS - Sự khỏc nhau về Anten được dựng ở cỏc cơ sở mặt bằng - Địa hỡnh thay đổi
- Mảng mẫu thay đổi
Vỡ hệ thống GSM là hệ thống bị giới hạn bởi can nhiễu nờn phải xột mẫu sử dụng lại tần số nào cú mức can nhiễu chấp nhận được.
4.4.2. Quy hoạch phủ súng khụng liờn tục
Bài toỏn quy hoạch này phải xử lý đặc biệt. Cơ sở giải bài toỏn này vẫn là quy hoạch tần số sao cho cỏc tỷ số C/I và C/A đạt mức quy định chất lượng. Mõu thuẫn phỏt sinh cú thể được dung hũa tuỳ hoàn cảnh
Hỡnh 4.18. Phủ súng khụng liờn tục
4.5. Thiết kế tần số theo phương phỏp MRP (Multiple Reuse Patterns)
Thiết kế hệ thống cú dung lượng lớn với chi phớ cho hạ tầng là tối thiểu đang ngày càng trở nờn quan trọng trong cuộc chạy đua giữa cỏc nhà điều hành di động. Phần này trỡnh bày về việc ỏp dụng kỹ thuật nhảy tần kết hợp với một phương phỏp thiết kế tần số tiờn tiến, Multiple Reuse Patterns (MRP)_Đa mẫu sử dụng lại.
Giải phỏp nõng cao dung lượng trong mạng GSM
Việc tăng dung lượng mạng bằng cỏch giảm cự lý tỏi sử dụng lại tần số sẽ kộo theo vấn đề về nhiễu tần số trở nờn trầm trọng hơn, gõy khú khăn cho việc thiết kế tần số với chất lượng tốt. Một số kỹ thuật được sử dụng nhằm giảm bớt ảnh hưởng của nhiễu : Nhảy tần, điều khiển cụng suất, truyền phỏt giỏn đoạn DTX ( Discontinuous Transmission ). Ở đõy ta quan tõm đến kỹ thuật nhảy tần. Kỹ thuật nhảy tần đưa ra hai khỏi niệm phõn tỏn tần số và phõn tỏn nhiễu.
- Phõn tỏn tần số : Tần số được phõn chia nhằm cõn bằng chất lượng tớn hiệu giữa cỏc thuờ bao cho dự thuờ bao đú đang di chuyển nhanh hay chậm. Điều này đồng nghĩa với độ dự trữ cho phading nhanh (Rayleigh Fading) là khụng cần thiết. Chớnh nhờ hiệu quả của phõn tỏn tần số mà vựng phủ súng được tăng lờn do giảm được độ dự trữ cho phading nhanh. Ngày nay, quy hoạch Cell tiờu biểu dựng 3 dB cho dự trữ phading nhanh.
- Phõn tỏn nhiễu : Cường độ nhiễu được chia sẻ đều cho cỏc thuờ bao để quy về mức nhiễu trung bỡnh
Với một mạng lưới sử dụng kỹ thuật nhảy tần ta cú thể giảm cự ly tỏi sử dụng tần số do đú cú thể cải thiện được dung lượng của hệ thống so với mạng khụng sử dụng kỹ thuật nhảy tần.
4.5.2. Phương phỏp đa mẫu sử dụng lại MRP ( Multiple Reuse Patterns )
MRP là phương phỏp tổng quỏt để đạt được dung lượng cao bằng cỏch sử dụng lại tần số kết hợp với kỹ thuật nhảy tần. Phương phỏp MRP khai thỏc lợi thế của kỹ thuật nhảy tần nhằm tăng dung lượng. Cơ sở của phương phỏp MRP là phõn chia cỏc tần số thành cỏc mẫu lớp băng tần số khỏc biệt với cỏc mức độ sử dụng lại khỏc nhau và dựng kỹ thuật nhảy tần kết hợp chỳng lại ở một mức sử dụng lại trung bỡnh. Phần này ta chỉ xột tới MRP sử dụng nhảy tần băng cơ bản