Trên cơ sở phân tích vùng phủ sóng, tính toán quỹ đường truyền theo hướng lên - Uplink hoặc hướng xuống - Downlink, ta tính bán kính cell vùng phủ sóng theo mô hình trong hình 2.2.
a. Phân tích vùng phủ
Quá trình phân tích vùng phủ vô tuyến là thực hiện khảo sát các địa điểm cần phủ sóng và kiểu vùng phủ cần cung cấp cho các địa điểm này. Các loại vùng phủ thông thường được xét như: các vùng thương mại, du lịch, các vùng dân số có mật độ dân số cao và các đường cao tốc chính. Do vậy cần phải có các thông tin về các vùng cần phủ sóng. Các thông tin có thể dựa trên bản đồ, các số liệu thống kê, dự báo như: mật độ dân cư (thành phố, ngoại ô, nông thôn), khu thương mại, du lịch, khu công nghiệp…
Thông số đầu vào
Tính suy hao đường truyền cho phép
Bán kính vùng phủ R yêu cầu theo các mô
Mục đích của quá trình khảo sát này bao gồm:
- 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.
Các thông tin về vùng phủ sẽ được dùng để chuẩn bị bước quy hoạch vùng phủ ban đầu. Thông thường quy hoạch vùng phủ sóng WCDMA thường quan tâm đến các loại hình phủ sóng mô tả trong bảng 2.1.
Bảng 2.1. Các loại hình phủ sóng phổ biến
Vùng phủ sóng Đặc điểm
Đô thị đông đúc - Dense urban
Thông thường đây là 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
Thông thường đây là các 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
Một yếu tố nữa cũng ảnh hưởng đến vùng phủ sóng là xác định vùng phủ theo dịch vụ. Như đã biết hệ thống WCDMA là hệ thống đa truy nhập dịch vụ với cấu trúc đa kênh có thể sử dụng được nhiều dịch vụ. Một số dịch vụ chính thường dùng trong hệ thống truy nhập WCDMA:
Bảng 2.2. Các loại 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 thì sẽ có các bán kính phục vụ khác nhau, chẳng hạn như hình dưới đây sẽ mô tả bán kính tối đa của các loại dịch vụ (ứng với trường hợp dịch vụ sử dụng liên tục)
Hình 2.3. Vùng phủ sóng của cell theo các loại dịch vụ khác nhau
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.
b. 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.
Quá trình phân tích quỹ năng lượng đường truyền sẽ bao gồm tính quỹ năng lượng đường truyền lên và quỹ năng lượng đường truyền xuống. Nếu xét tại cùng một sóng mang, ở đường lên nhiễu đa truy cập MAI (Multipe Access Interference) gây ra bởi các thuê bao nội cell và ở các cell kề cận, trong khi ở đường xuống MAI gây ra bởi các trạm gốc kề cận trạm gốc đang khảo sát.
Việc tính toán quỹ đường truyền được sử dụng để xác định bán kính cực đại của cell. Một số tham số được sử dụng riêng cho WCDMA (so với GSM) bao gồm: dự trữ suy hao do nhiễu, dự trữ pha-dinh nhanh, độ tăng công suất truyền dẫn và độ lợi chuyển giao mềm.
Quỹ đường truyền tổng quát cho cả đường lên và đường xuống bao gồm các thành phần sau:
+ Công suất máy phát (dBm):
- Công suất máy phát trung bình trên một kênh lưu lượng (dBm) - Công suất máy phát cực đại trên một kênh lưu lượng (dBm) - Công suất máy phát tổng cộng cực đại (dBm)
+ Tổn hao do ghép, giắc cắm và do cáp (máy phát) (dB)
+ Công suất phát EIRP (Equivalent Isotropically Radiated Power) – có tính đến tăng ích của ăng-ten phát (dBi/d):
- EIRP của máy phát trên một kênh lưu lượng (dBm). - EIRP của máy phát (dBm).
+ Tăng ích ăng-ten thu (dBi)
+ Tổn hao do bộ chia, đầu nối và do cáp (máy thu) (dB) + Hệ số tạp âm máy thu (dB)
+ Mật độ tạo âm nhiệt, N0 (dBm/Hz) + Mật độ nhiễu máy thu I0 (dBm/Hz)
+ Mật độ tạp âm nhiễu hiệu dụng tổng cộng (dBm/Hz) + Tốc độ thông tin (10lg(Rb)) (dBHz)
+ Tỷ số Eb/(N0+I0) yêu cầu (dB) + Độ nhạy máy thu (dBm)
+ Tăng ích/Suy hao chuyển giao (dB) + Tăng ích phân tập (dB)
+ Các tăng ích khác (dB)
+ Độ dự trữ pha-đinh chuẩn-log (dB) + Suy hao đường truyền tối đa (dB)
+ 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.
Trong WCDMA, có một số các thông số đặc biệt trong quỹ đường truyền không được sử dụng trong hệ thống truy nhập vô tuyến của GSM:
- Độ dự trữ nhiễu: Độ dữ trữ nhiễu là một hàm số của tổng cộng tải trong cell. Tải của cell và hệ số tải tác động lên vùng phủ, nên cần phải có độ dự trữ nhiễu. Nếu tải cho phép trong hệ thống càng lớn thì độ dữ trữ nhiễu cần thiết cho đường lên càng lớn và vùng phủ càng nhỏ. Giá trị tải tổng cộng có ảnh hưởng trực tiếp đến vùng phủ cell và vì thế mà ảnh hưởng gián tiếp đến chất lượng của các dịch vụ. Quan hệ giữa hệ số tải η và độ dự trữ nhiễu IM
- Độ dự trữ pha-đinh chậm và độ lợi chuyển giao mềm: Chuyển giao mềm cung cấp một độ lợi chống lại pha-đinh chậm, cho phép giảm độ dự trữ pha-đinh chuẩn-log so với GSM. Do trên thực tế pha-đinh chậm tương quan yếu giữa các cell và bằng cách thực hiện chuyển giao, máy di động có thể chọn lựa một kết nối tốt hơn. Hơn nữa, chuyển giao mềm đem lại một độ lợi phân tập bổ sung đối với pha-đinh nhanh, cho phép giảm Eb/N0 tuỳ theo liên kết vô tuyến đơn nhờ tác dụng kết hợp phân tập macro.
Dự trữ pha-đinh chậm SFM (Slow Fading Margin) theo yêu cầu sẽ cho phép đánh giá được xác suất phủ sóng như trên hình 2.4, trong đó F(x) là mức tín hiệu thu trung bình tại cự ly x cách trạm phát sóng, Fngưỡng là ngưỡng thu.
Hình 2.4. Ảnh hưởng của Dự trữ phading chậm - SFM đến vùng phủ sóng.
Thông thường trong các hệ thống WCDMA, thì Độ dự trữ phading chậm có giá trị và ảnh hưởng đến hiệu suất vùng phủ như sau:
Fngưỡng Mức tín hiệu thu (dBm) X ác su ất b ao p h ủ
SFM yêu cầu Không có SFM
Bảng 2.3. Giá trị độ dự trữ phading chậm thông dụng. Dense
urban Urban Suburban Rural
Hiệu suất phủ sóng 95% 95% 90% 90%
Shadow fading Margin,
dB 6,0 6,06 4,1 3,8
- Độ dự trữ Fading nhanh (khoảng hở điều khiển công suất): Một
số khoảng hở cần cho công suất phát của trạm di động để duy trì việc điều khiển công suất hợp lý. Thông số này được áp dụng một cách đặc biệt cho MS di chuyển chậm mà tại đó điều khiển công suất nhanh có thể bù Fading nhanh một cách hiệu quả. Thông thường lấy giá trị Độ dự trữ Fading nhanh đối với MS di chuyển chậm là 3dB.
Ngoài ra để tính toán quỹ đường truyền vô tuyến, cần quan tâm đến các giả định thông số như suy hao, độ lợi, công suất phát…điển hình như các thông số trong bảng 2.4
Bảng 2.4. Thông 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
Bảng 2.5. Thông số giả định của 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 yếu tố anten ảnh hưởng đến quỹ công suất đường truyền chính là độ cao anten. 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:
Bảng 2.6. Thông số độ cao anten theo vùng phủ sóng. Loại vùng phủ Độ cao Anten
Dense Urban 25~30 m
Urban 30~35 m
Suburban 35~40 m
c. Tính toán bán kính cell.
Sau khi tính được suy hao đường truyền lớn nhất và có được Độ dữ trữ Fading chậm cần thiết thì bán kính cell r có thể được tính theo các mô hình truyền sóng. Vì mô hình Hata COST231 được áp dụng khá phổ biến trên thế giới và mang lại độ chính xác khá cao, ở Việt Nam các nhà 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. Ta có công thức tính bán kính phủ sóng sau: ( ) b m b h C hm a h f Lp d log 55 , 6 9 , 44 log 82 , 13 log 9 , 33 3 , 46 ^ 10 − − + + − − = (2.1) Trong đó: Lp: suy hao [dB]
hb: độ cao của anten trạm gốc tại điểm thu (20÷100 m)
H: độ cao trung bình của các tòa nhà xung quanh trạm gốc (H > hb) f: tần số hoạt động (450÷2200 MHz)
Khi bán kính phú sóng r (r=d) 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 trong bảng 2.7) bằng công thức sau:
S = K.r2 (2.2)
Với K là hệ số ứng với số Sector trong cell có giá trị như sau:
Bảng 2.7. Giá trị K theo cấu hình site.
Cấu hình site Vô hướng 2 Sector 3 Sector 6 Sector
K 2,6 1,3 1,95 2,6
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. Chúng ta sẽ xem xét một ví dụ tham khảo về cách tính bán kính 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 là kết quả tính toán quỹ đường truyền và bán kính Cell tham khảo: [5]
Tham số Dense Urban Urban Suburba n 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 (dB) 2,10 2,10 2,10 2,10 j=h+1.6
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 phading nhanh (dB) 3,00 3,00 3,00 3,00 o
Suy hao thâm nhập (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
Cell radius
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