2.2.1. Tổn hao đường truyền súng vụ tuyến
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 = 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.
2.2.1.1. Phương phỏp đo cường độ trường
Năm 1968, Y. Okumura là một kỹ sư người Nhật Bản đó đưa ra rất nhiều số liệu về việc đo cường độ trường để tham khảo. ễng chia địa hỡnh thành 5 loại chớnh
1. Vựng hầu như bằng phẳng 2. Vựng nhiều đồi
3. Vựng cú chỏm nỳi độc lập 4. Vựng cú địa hỡnh dốc
5. Vựng ranh giới giữa đất và nước (bờ sụng, bờ biển...)
ễng đưa ra những thử nghiệm trờn tất cả cỏc loại địa hỡnh trờn tại những tần số khỏc nhau, với những độ cao anten khỏc nhau và sử dụng cỏc cụng suất phỏt khỏc nhau. Đối với mỗi loại địa hỡnh cú một biểu đồ tương ứng chỉ ra tổn hao ứng với loại địa hỡnh đú (hỡnh 2.3).
Ta thấy rằng sự đo lường của Okumura chỉ cho thấy sự suy giảm của cường độ tớn hiệu theo khoảng cỏch, nhưng nú giảm nhanh hơn nhiều so với những gỡ ta đó biết trong khụng gian tự do.
2.2.1.2. 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 +26,16.logf - 13,82.log(hb) - a(hm) + [44,9 - 6,55log(hb)]. 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) = (1,1.logf - 0,7). hm - (1,56.logf - 0,8) Và cụng thức tớnh suy hao cho vựng ngoài đụ thị:
Lp(ngoại ụ) = Lp(đụ thị) - 2.[log(f/28)]2 - 5,4
Lp(nụng thụn) = Lp(đụ thị) - 4,78(logf)2 + 18,33.logf - 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 COST 231:
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 + 33,9.logf -13,82. loghb - a(hm) + (44,9 - 6,55.loghb).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 )
0 dB đối với thành phố cỡ trung bỡnh hoặc trung tõm ngoại ụ 3 dB 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 450ữ2200 MHz.
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 - 7,1.logW + 0,023.Φ+ 1,4.loghs + 6,1.log<H> - [24,37 -
3,7.(H/hb)2].loghb + (43,42 - 3,1.loghb).logd + 20logf + exp[13(logf - 3,23)] Trong đú:
Lp : suy hao [dB] Cm =
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 (5ữ50 m) hb : độ cao của anten trạm gốc tại điểm thu (20ữ100 m)
H : độ cao trung bỡnh của cỏc tũa nhà xung quanh trạm gốc (H > hb) d : khoảng cỏch giữa trạm gốc và điểm thu (0,5ữ10 km)
f : tần số hoạt động (450ữ2200 MHz)
2.2.2 Vấn đề Fading
Fading chuẩn Loga: trạm di động thường hoạt động ở cỏc mụi trường cú nhiều chướng ngại vật (cỏc quả đồi, toà nhà...). 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.
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 ...
2.2.3. Ảnh hưởng nhiễu C/I và C/A
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).
2.2.3.1. Nhiễu đồng kờnh C/I
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 2.4 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 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 giữa, mỏy di động cú C/I bằng 0 dB, 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 > 0 dB. Nếu mỏy di động chuyển động về phớa trạm gõy ra nhiễu thỡ C/I < 0 dB.
Theo khuyến nghị của GSM giỏ trị C/I bộ nhất mà mỏy di động vẫn cú thể làm việc tốt là 9 dB. Trong thực tế, người ta nhận thấy rằng giỏ trị này cần thiết phải lờn đến 12 dB ngoại trừ nếu sử dụng nhảy tần thỡ mới cú thể làm việc ở mức C/I là 9dB. Ở mức C/I thấp hơn thỡ tỷ lệ lỗi bit BER (Bit Error Rate) sẽ cao khụng chấp nhận được và mó hoỏ kờnh cũng khụng thể sửa lỗi một cỏch chớnh xỏc được.
Tỉ số 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 việc sử dụng lại tần số làm dung lượng tăng đỏng kể tuy nhiờn đồng thời cũng làm cho tỉ số C/I giảm đi. Do đú việc quy hoạch tần số cần quan tõm đến nhiễu đồng kờnh C/I.
2.2.3.2. Nhiễu kờnh lõn cận 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 = 10.log(Pc/Pa), trong đú :
Pc = cụng suất thu tớn hiệu mong muốn Pa = cụng suất thu tớn hiệu của kờnh lõn cận
Giỏ trị C/A thấp làm cho mức BER cao. Mặc dự mó hoỏ kờnh GSM bao gồm việc phỏt hiện lỗi và sửa lỗi, nhưng để việc đú thành cụng thỡ cũng cú giới hạn đối với nhiễu. Theo khuyến nghị của GSM, để cho việc quy hoạch tần số được tốt thỡ giỏ trị C/A nhỏ nhất nờn lớn hơn - 9 dB.
Khoảng cỏch giữa nguồn tạo ra tớn hiệu mong muốn với nguồn của kờnh lõn cận lớn sẽ tốt hơn cho C/A. Điều này cú nghĩa là cỏc cell lõn cận khụng nờn được ấn định cỏc súng mang của cỏc kờnh cạnh nhau nếu C/A được đó được đề nghị trong một giới hạn nhất định.
Cả hai tỉ số C/I và C/A đều cú thể được tăng lờn bằng việc sử dụng quy hoạch cấu trỳc tần số.
2.2.3.3. Một số biện phỏp khắc phục
Vấn đề can nhiễu kờnh chung là một thỏch thức lớn với hệ thống thụng tin di động tế bào. Cú cỏc phương phỏp để giảm can nhiễu kờnh chung như:
1. Tăng cự ly sử dụng lại tần số (D) 2. Hạ thấp độ cao anten trạm gốc
3. Sử dụng Anten định hướng ở BTS (Sector húa)
Với phương phỏp thứ nhất: việc tăng cự ly sử dụng lại tần số D sẽ làm giảm can nhiễu kờnh chung, tuy nhiờn khi đú số cell trong mỗi mảng mẫu sẽ tăng, tương ứng với số kờnh tần số dành cho mỗi cell sẽ giảm và như vậy thỡ dung lượng phục vụ sẽ giảm xuống.
Phương phỏp thứ hai việc hạ thấp anten trạm gốc làm cho ảnh hưởng giữa cỏc cell dựng chung tần số sẽ được giảm bớt và như vậy can nhiễu kờnh chung cũng được giảm bớt. Tuy nhiờn, việc hạ thấp anten sẽ làm ảnh hưởng của cỏc vật cản (nhà cao tầng…) tới chất lượng của hệ thống trở nờn nghiờm trọng hơn.
Phương phỏp thứ 3 cú hai ớch lợi: Một là biện phỏp làm giảm can nhiễu kờnh chung trong khi cự ly sử dụng lại tần số khụng đổi, hai là tăng dung lượng hệ thống.
Phương phỏp này sẽ được trỡnh bày trong phần sau. Ngoài ra, cỏc kỹ thuật khỏc như:
- Điều khiển cụng suất phỏt súng kiểu động - Truyền phỏt giỏn đoạn
- Nhảy tần
Một số kỹ thuật tăng chất lượng hệ thống:
+Nhảy tần:
Thực chất của việc nhảy tần là thực hiện trải cỏc cụm (burst) dữ liệu trờn cỏc kờnh tần số khỏc nhau một cỏch ngẫu nhiờn, nhằm giảm nhiễu trong toàn bộ hệ thống. Điều này cú ý nghĩa rất lớn đối với cỏc mạng lớn mà việc sử dụng lại tần số là cực kỳ khú khăn. Để nhảy tần cần chỳ ý trong trường hợp tổ hợp nhảy tần, số tần số này cú thể nhiều hơn số trạm thu/phỏt TRX của cell. Khi chọn cỏc tần số để nhảy tần khỏc nhau sẽ làm cho cỏc cụm dữ liệu nhảy tần theo cỏc cỏch khỏc nhau và làm giảm khả năng trựng tần số giữa cỏc cụm số liệu trờn 2 cell.
+ Truyền phỏt giỏn đoạn _ Discontinuous Transmission (DTX):
Thực chất của phương phỏp DTX là BTS hay MS chỉ phỏt khi nhận được tớn hiệu đầu vào như cú tớn hiệu thoại và khi kết thỳc tớn hiệu nú sẽ ngừng phỏt. Việc phỏt hay khụng được thực hiện trờn cơ sở từng khe thời gian. Mục đớch của phương phỏp này là tiết kiệm năng lượng và giảm nhiễu trờn kờnh lõn cận một cỏch tối đa. Khi sử dụng phương phỏp truyền dẫn giỏn đoạn ta cần thờm cỏc thiết bị phụ trợ khỏc như VAD (Voice Active Detector) để phỏt hiện tớn hiệu vào và tạo ra tiếng ồn giả khi một phớa nào đú ngừng cung cấp tớn hiệu.
+Điều khiển cụng suất thu phỏt của MS và BTS:
Việc điều khiển tăng giảm cụng suất thu phỏt của MS và BTS cũng làm cải thiện đỏng kể tỷ số C/ I.
2.2.4. 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.
Cửa sổ thời gian được định nghĩa là khoảng thời gian 15 ms sau khi mỏy thu nhận được tớn hiệu trực tiếp từ mỏy phỏt. Giả sử cỏc tia phản xạ đến mỏy thu bờn ngoài cửa sổ thời gian, tức là sau 15 ms, 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 9 dB.
Chỳng ta cú thể coi giỏ trị này là giỏ trị cực đại của phõn tỏn thời gian. Nghĩa là tất cả cỏc tớn hiệu phản xạ mà đến trễ hơn 15 ms, bờn ngoài cửa sổ thời gian, phải cú giỏ trị tổng nhỏ hơn 9 dB. Tỉ số này chớnh là C/R.
2.2.4.1. Cỏc trường hợp phõn tỏn 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 cú kết cấu 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