phải đƣợc mô hình và kênh phải đƣợc xét nhƣ bộ lọc tuyến tính. Do nguyên nhân này phép đo đa đƣờng dải rộng phải đƣợc thực hiện và mô hình đƣợc phát triển từ các phép đo này.
c) Suy giảm nhanh
Tùy thuộc vào tín hiệu băng cơ sở thay đổi nhanh hay kênh thay đổi nhanh hơn mà ta có suy giảm chậm hay nhanh. Kênh suy giảm nhanh là kênh có đáp ứng xung thay đổi nhanh trong khoảng thời gian ký hiệu, tức là thời gian kết hợp của kênh là nhỏ hơn chu kỳ ký hiệu. Điều này gây nên phân tán tần số (còn gọi là suy giảm chọn lọc thời gian) do sự trải Doppler dẫn đến méo tín hiệu:
TS > TC hay BS < BD
Chú ý là kênh suy giảm nhanh hay chậm độc lập với tính chất phẳng hay chọn lọc tần số của kênh. Ví dụ kênh suy giảm phẳng và nhanh đƣợc mô hình nhƣ đáp ứng xung là hàm Delta, song biên độ của hàm Delta thay đổi nhanh hơn tín hiệu băng cơ sở. Kênh suy giảm chọn lọc tần, nhanh là biên độ, pha, trễ của các thành phần đa đƣờng thay đổi nhanh hơn tín hiệu băng cơ sở.
d) Suy giảm chậm
Đáp ứng xung của kênh thay đổi chậm hơn tín hiệu băng cơ sở. Kênh đƣợc coi là tĩnh trên một hay vài lần nghịch đảo dải rộng tín hiệu, trong miền tần số điều này đƣợc hiểu là độ trải Doppler của kênh nhỏ hơn dải rộng của tín hiệu:
TS < TC hay BS > BD
3.7.3. Vấn đề suy hao đƣờng truyền WiMax tại Việt Nam
Do điều kiện địa hình của nƣớc ta khá phức tạp bị nhiều đồi núi cao che chắn cùng với khí hậu nhiệt đới gió mùa và lƣợng mƣa tập trung lớn nên trong quá trình tính toán thiết kế hệ thống đƣờng truyền WiMax phải tính đến độ dữ trữ theo yêu cầu. Để có thể tính toán đƣợc mức độ suy hao đƣờng truyền WiMax tại các nƣớc trên thế giới nói chung và tại Việt nam nói riêng thì phải dựa trên mô hình suy hao đƣờng truyền kích thƣớc lớn và nhỏ nhƣ đã đề cập ở trên. Đồng thời phải kết hợp với các số liệu thống kê, thử nghiệm của các nƣớc khác trên thế giới. Đối với Việt nam hiện nay VDC (VNPT) đã và đang thử nghiệm WiMax tại Lào Cai, Sapa,…
3.8. VẤN ĐỀ DUNG LƢỢNG [22, 24]
Mục đích của vấn đề dung lượng là tính toán số lượng cần thiết các BS - FBWA và số sector để có thể thoả mãn yêu cầu về dung lượng truyền dẫn của tất cả các thuê bao trong một khu vực nào đó.
3.8.1. Tổng lƣu lƣợng và sự tập trung lƣu lƣợng
Bƣớc đầu tiên trong tính toán dung lƣợng là dự tính tổng lƣu lƣợng của tất cả các thuê bao trong vùng phục vụ. Nó phụ thuộc vào số lƣợng khách hàng tiềm năng của khu vực đó, mong muốn truy nhập dich vụ băng rộng, mong muốn chia sẻ dữ liệu, và lƣu lƣợng mong muốn của các khách hàng.
Hệ số tập trung có thể lớn hoặc nhỏ, tỷ lệ nghịch với số lƣợng BS trong khu vực đó và đủ nhỏ để có thể thoả mãn yêu cầu dịch vụ của khách hàng. Lựa chọn hệ số tập trung phù hợp phụ thuộc vào ứng dụng mà thuê bao đang sử dụng. Nếu các thuê bao đang sử dụng kết nối băng rộng chỉ để đọc các E-mail của họ và lƣớt qua xem tin tức trên các trang Web thì chúng ta có thể lựa chọn một hệ số tập trung lớn. Những dịch vụ băng rộng mới, nhƣ video hay ca nhạc trên internet đòi hỏi một dung lƣợng lớn hơn và yêu cầu thông lƣợng cố định từ mạng. Một số ứng dụng, nhƣ chia sẻ file ngang hàng (peer-to-peer) tồn tại nhiều vấn đề khó giải quyết khi đứng trên quan điểm nhìn nhận của hệ số tập trung lƣu lƣợng.
3.8.2. Điều chế thích nghi và dung lƣợng trung bình của một sector
Dung lƣợng của sector phụ thuộc nhiều nhất vào phƣơng pháp điều biến, mã hoá và độ rộng của kênh radio đƣợc sử dụng. Dung lƣợng của mỗi sector đƣợc chia sẻ cho tất cả các thuê bao trong khu vực phủ sóng của nó. Trong một hệ thống TDD, một kênh tần số giống nhau đƣợc sử dụng cho cả đƣờng lên và đƣờng xuống. Trong mạng FBWA hiện đại, ngƣời ta sử dụng kỹ thuật điều biến thích ứng nên dung lƣợng của mỗi sector BS đơn phụ thuộc vào khoảng cách, đặc điểm liên kết giữa BS và các CPE. Các kết nối tới các CPE đặt gần BS có thể đƣợc cung cấp những lực đồ điều biến hiệu suất cao hơn (nghĩa là sử dụng điều biến nhiều mức) so với các kết nối tới các CPE đƣợc đặt xa BS.
Bảng 3.6 trình bày tốc độ bit thô và yêu cầu về độ nhạy của trạm thu theo chuẩn IEEE 802.16 - 2004 OFDM. Độ nhạy của máy thu (receiver) là mức tín hiệu nhỏ nhất cần nhận đƣợc ở phía máy thu để có thể giải mã đƣợc dòng tín hiệu với một tỷ lệ lỗi bit nào đó có thể chấp nhận đƣợc. Tốc độ dữ liệu trong bảng đƣợc tính toán cho độ rộng băng tần mỗi kênh là 7 MHz. Tỷ lệ giữa tiền tố tuần hoàn thời gian và thời gian có ích trong OFDM (Tg/Tb) đƣợc cho là 1/16.
P/p điều chế Tỷ lệ mã hoá Tốc độ Bit (kb/s) Độ nhạy máy thu (dBm) Bán kính (km) Diện tích phủ sóng (km2) QPSK 1/2 5,76 -84 2,37 5,62 QPSK 3/4 8,65 -82 2,11 4,47 16-QAM 1/2 11,53 -77 1,58 2,51 16-QAM 3/4 17,29 -75 1,41 2,00 64-QAM 2/3 23,06 -71 1,12 1,26 64-QAM 3/4 25,94 -69 1 1
Bảng 3.6: Bán kính và diện tích phủ sóng theo các phương pháp điều chế khác nhau
Bảng 3.6 cũng trình bày phạm vi chuẩn hoá (NR - Normalized Ranges) và khu vực phủ sóng của các phƣơng thức điều chế khác nhau. Chúng đƣợc tính toán dựa theo mô hình suy hao đƣờng truyền log-distance với số mũ suy hao đƣờng truyền bằng 4. Nếu số mũ suy hao đƣờng truyền giảm đi thì phạm vi chuẩn hoá và vùng phủ sóng của các phƣơng pháp điều chế mạnh mẽ hơn tăng lên.
Theo Hoyman, tất cả các phần tiêu đề của MAC chiếm 10% tỷ lệ bit thô, còn nội dung thông tin chuyển lên các lớp trên chiếm 90% còn lại. Bởi vậy thông lƣợng trung bình của mỗi sector có thể lên tới 11-18 Mbps.
3.8.3. Số lƣợng sector và BS
Số thuê bao lớn nhất có thể kết nối tới một sector đơn có thể đƣợc tính toán theo công thức: , ) ( , , sec xC T T T N ave U ave D tor s Subscriber (3.5)
Trong đó:
NSubcribers là số lƣợng thuê bao lớn nhất trong một sector Tsector là dung lƣợng lƣu lƣợng (tốc độ dữ liệu) của một sector TD,ave là tốc độ dữ liệu đƣờng xuống trung bình của mỗi thuê bao TU,ave là tốc độ dữ liệu đƣờng lên trung bình của mỗi thuê bao
C là hệ số của bộ tập trung (Đối với Wimax thông thƣờng chọn C = 20) Dung lƣợng cơ sở của sector BS (The capacity-based number of base station sectors) là tỷ số giữa số lƣợng khách hàng mong muốn trong khu vực phục vụ và số lƣợng thuê bao lớn nhất trong một sector. Số lƣợng BS cần thiết có thể đƣợc tính toán, ví dụ bằng 1/6 số lƣợng sector.
Từ công thức (3.5), với Tsector = 70 Mb/s, TD,ave = TU,ave = 1Mb/s, C = 20, ta tính được NSubcribers = 700. Điều này có nghĩa là với thông lượng lớn nhất mà WiMax có thể đạt được 70Mb/s, thì có thể phục vụ được lớn nhất là 700 thuê bao trong một sector với tốc độ trung bình đường lên/đường xuống là 1Mbps/1Mbps. Muốn nâng cao chất lượng dịch vụ (chẳng hạn đường lên/đường xuống là 3.5Mbps/3.5Mbps) thì phải giảm số thuê bao trong một sector (200 thuê bao).
3.9. PHỦ SÓNG, TẦN SỐ VÀ CHỈ ĐỊNH KÊNH 3.9.1. Kế hoạch phủ sóng 3.9.1. Kế hoạch phủ sóng
Mục đích của việc lên kế hoạch phủ sóng là để bảo đảm rằng số lƣợng dung lƣợng cơ sở (capacity-based) của BS đủ để có thể phủ sóng tới tất cả các khách hàng trong khu vực phủ sóng đang xét. Lên kế hoạch phủ sóng là thực hiện tính toán bảng năng lƣợng liên kết (link budget) dựa trên mô hình kênh và thông số hệ thống phù hợp.
3.9.1.1. Bảng tính năng lượng liên kết [24, 25, 26]
Bảng tính năng lƣợng liên kết là một bảng bao gồm tất cả các thông số tăng ích và suy hao (theo kinh nghiệm) của tín hiệu radio giữa bên phát và bên thu. Bảng tính năng lƣợng liên kết sử dụng trong luận văn này đƣợc tính toán trong bảng 3.7.
Thành phần hệ thống Tăng ích
Năng lƣợng phát ra từ trạm phát (dBm) Suy hao truyền dẫn trong máy phát (dB) Tăng ích của anten của máy phát (dBi)
Năng lƣợng phát xạ hiệu quả (dBm)
25 -2 14
37
Độ dài đƣờng truyền (km)
Suy hao đƣờng truyền trung bình (dB)
Suy hao xuyên qua Cây cối / Công trình xây dựng (dB)
Tổng suy hao đƣờng truyền trung bình (dB)
1 -120
-7
-127
Tăng ích anten máy thu (dBi)
Suy hao truyền dẫn trong máy thu (dB)
Mức tín hiệu trung bình tại đầu vào máy thu (dBm)
18 -2
-74
Dự trữ fading (dB)
Độ nhạy máy thu (QPSK 1/2) Dự trữ (QPSK 1/2)
10 -84
0
Bảng 3.7: Bảng tính năng lượng liên kết cơ bản
Mức tín hiệu phát ra lớn nhất phụ thuộc vào sự quy định của từng địa phƣơng. Mức năng lƣợng đỉnh tối đa có thể truyền cho thiết bị TDMA ở dải tần số 3,3 GHz là 35dBm (ETSI EN 301 021). Tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình PAPR (Peak-to-Average Power Ratio) của phƣơng pháp điều biến OFDM làm cho năng lƣợng trung bình trở nên thấp hơn. Ở đây, một tỷ lệ PAPR đƣợc giả định là 10dBm. Suy hao truyền dẫn trong máy phát và máy thu bao gồm suy hao đƣờng dây truyền dẫn và những suy hao khác giữa sóng radio và anten.
Hệ số tăng ích anten phát phụ thuộc chủ yếu vào góc mở của anten. Trong luận văn này giả định rằng anten dùng cho mỗi sector tại BS có góc mở là 600
và 1200, có hệ số tăng ích lần lƣợt là 17dBi và 14dBi. Anten của CPE là anten định hƣớng ngoài trời (outdoor) hay omni - định hƣớng trong nhà (indoor) với hệ số tăng ích lần lƣợt là 18dBi và 6dBi.
Suy hao đƣờng truyền giữa anten máy phát và máy thu phụ thuộc vào tần số phát, độ dài đƣờng truyền và hoàn cảnh môi trƣờng của liên kết ví dụ nhƣ: loại địa hình, loại và mật độ nhà cửa trong khu vực, độ cao anten. Trong luận văn này, suy hao đƣờng truyền trung bình đƣợc tính toán theo công thức (3.3). Trong trƣờng hợp anten thu đƣợc đặt trong nhà thì phải tính đến suy hao tín hiệu khi xuyên qua toà nhà.
Độ nhạy máy thu phụ thuộc vào mức năng lƣợng nhiễu của máy thu và yêu cầu mức SNR cho các phƣơng pháp điều chế và mã hoá khác nhau. Đặc tả IEEE Std 802.16a chia các hệ thống dựa trên OFDM theo các cấp độ nhƣ sau:
Độ rộng băng tần (MHz) QPSK 16 - QAM 64 - QAM 1/2 3/4 1/2 3/4 1/2 3/4 1,75 -90 -87 -83 -81 -77 -75 3,5 -87 -85 -80 -78 -74 -72 7 -84 -82 -77 -75 -71 -69 14 -81 -79 -74 -72 -68 -66
Bảng 3.8: Mức độ nhạy nhỏ nhất của máy thu (dBm) (IEEE 802.16-2004)
3.9.1.2. Mối quan hệ giữa độ dự trữ fading với sự sẵn sàng cung cấp dịch vụ
Độ dự trữ fading đóng vai trò chìa khoá trong việc tính toán bảng tính năng lƣợng liên kết. Nó phụ thuộc vào yêu cầu về sự phủ sóng kín diện tích phục vụ và độ tin cậy của ngƣời điều hành hệ thống. Ví dụ nhƣ yêu cầu dịch vụ phải đƣợc cung cấp tới 90% diện tích của cell với độ tin cậy 99,9%. Khi yêu cầu phủ sóng kín diện tích tăng lên, dự trữ fading cũng tăng theo, và phạm vi của một cell BS nhỏ đi.
3.9.1.3. Phạm vi của BS - FBWA ở dải tần 3,3 GHz
Sử dụng mô hình suy hao đƣờng truyền nhƣ công thức 3.3, chúng ta có thể tính đƣợc “bảng tính năng lƣợng kiên kết” cho dải tần xấp xỉ 3,3 GHz FBWA. Kết quả thu thập đƣợc đƣa ra trong bảng 3.9:
Loại anten CPE Ngoài trời (200
, 18dBi) Trong nhà (3600, 6dBi)
Yêu cầu phủ sóng 90% 99% 90% 99% Đô thị, Ngoại ô
Loại A (Đồi núi, cây to) 0,90km 0,53km 0,31km 0,18km
Loại B ( Mức giữa) 1,19km 0,70km 0,37km 0,22km
Loại C (bằng phẳng, ít cây) 1,97km 1,22km 0,57km 0,36km
Khu vực nông thôn thƣa thớt
Tầm nhìn thẳng 60,8km 60,8km - -
Tầm nhìn thẳng với nhiều cây cối (15,7 dB dự trữ suy hao)
10km 10km - -
Bảng 3.9: Phạm vi cell trong các điều kiện môi trường truyền sóng khác nhau
Nhƣ đã trình bày trên bảng 3.9, loại anten của CPE tác động rất lớn đến vùng phủ sóng có thể đạt đƣợc của 1 cell. Trong phép cộng hệ số tăng ích nhỏ hơn 12 dBi, suy hao xuyên qua toà nhà thƣờng đƣợc giả định là 10 dBi trong các phép tính, điều này dẫn đến phạm vi cell nhỏ đi. Trong trƣờng hợp anten CPE đặt trong nhà, vùng phục vụ của 1 cell nhỏ hơn 3 đến 4 lần so với anten đặt ngoài trời.
Ảnh hƣởng của yêu cầu phủ sóng cũng đƣợc đƣa ra trong bảng 3.9. Khi tăng yêu cầu phủ kín từ 90% lên 99% thì vùng phục vụ giảm đi 40%.
Theo những tính toán trên ta có thể đưa ra kết luận về vùng phục vụ áp dụng tại Việt Nam đối với từng loại khu vực như sau:
- Khu vực đô thị và ngoại ô: Vùng phục vụ là 0,5km với loại anten đặt trong nhà và 1,5km với anten của CPE đặt ngoài trời.
- Khu vực dân cƣ thƣa thớt: Vùng phục vụ là 10km cho cả hai loại anten của CPE đặt trong và ngoài nhà.
3.9.2. Lên kế hoạch tần số và chỉ định kênh
Mục đích của việc lên kế hoạch tần số là để đƣa ra số kênh tần số lớn nhất có thể dùng trong một khu vực đặt trạm gốc (base station sectors) để đạt đƣợc mức
nhiễu nhỏ nhất trong mỗi cell. Bởi vì mạng FBWA có cấu trúc tế bào, nên việc lên kế hoạch tần số cũng giống nhƣ các mạng tế bào khác ví dụ nhƣ GSM.
Khi gán các tần số cho các vùng phủ sóng của trạm gốc, 2 kênh tần số đƣợc sử dụng cho mỗi trạm gốc. Khi có 4 vùng phủ sóng trong một trạm gốc, hệ số sử dụng lại tần số là 2. Khi trạm gốc có 6 vùng phủ sóng hệ số sử dụng lại tần số là 3. Hình 3.22 trình bày mẫu sử dụng lại tần số cho BS có 6 hoặc 4 vùng phủ sóng.