Quy hoạch tần số

Tại Việt Nam và nhiều nước trờn thế giới hiện đang sử dụng hai băng tần số, đú là băng GSM 900 và GSM 1800.

Một số quốc gia ở Chõu Mỹ thỡ sử dụng băng 850 MHz và 1900 MHz do băng 900 MHz và 1800 MHz ở đõy đó được sử dụng trước đú.

Dải tần số dựng cho GSM 900 là 890 - 960 MHz; gồm 124 tần số súng mang với mỗi hướng:

Uplink: 890 - 915 MHz và Downlink: 935 - 960 MHz.

Dải tần số dựng cho GSM 1800 là 1710 - 1880 MHz; gồm 374 tần số súng mang với mỗi hướng:

Uplink: 1710 - 1785 MHz và Downlink: 1805 - 1880 MHz.

Hiện nay, tại Việt Nam cú 3 nhà cung cấp dịch vụ di động GSM đú là Vinaphone, Mobifone và Viettel đồng thời hoạt động nờn dải tần số hạn hẹp phải chia sẻ đều cho cả 3 mạng như sau:

Bảng 2.2 Phõn chia tần số cho 3 nhà cung cấp dịch vụ GSM tại Việt Nam

Băng tần Nhà cung cấp Uplink (MHz) Downlink (MHz) ARFCN

GSM 900 Vinaphone 890,0 - 898,2 935,0 - 943,2 1 - 41 Viettel 898,4 - 906,6 943,4 - 951,6 43 - 82 VMS 906,8 - 915, 0 951,8 - 960,0 84 -124 GSM 1800 Vinaphone 1710 - 1730 1805 - 1825 515 - 578 Viettel 1730 - 1750 1825 - 1845 580 - 643 VMS 1750 - 1770 1845 - 1865 645 - 708

Tài nguyờn tần số cú hạn trong khi số lượng thuờ bao thỡ ngày càng tăng lờn, nờn việc sử dụng lại tần số là điều tất yếu. Tuy nhiờn, khi sử dụng lại tần số thỡ vấn đề nhiễu đồng kờnh xuất hiện. Do đú cần cú sự hoạch định tần số tốt để tối thiểu húa ảnh hưởng của nhiễu tới chất lượng của hệ thống.

2.4.1. Tỏi sử dụng lại tần số

Một hệ thống tổ ong là dựa trờn việc sử dụng lại tần số. Nguyờn lý cơ bản khi thiết kế hệ thống tổ ong là cỏc mẫu sử dụng lại tần số. Theo định nghĩa sử dụng lại tần

- 40 -

số là việc sử dụng cỏc kờnh vụ tuyến ở cựng một tần súng mang để phủ súng cho cỏc vựng địa lý khỏc nhau. Cỏc vựng này phải cỏch nhau một cự ly đủ lớn để mọi nhiễu giao thoa đồng kờnh (cú thể xảy ra) chấp nhận được. Tỷ số súng mang trờn nhiễu C/I phụ thuộc vào vị trớ tức thời của thuờ bao di động do địa hỡnh khụng đồng nhất, số lượng và kiểu tỏn xạ.

 Mảng mẫu (Cluster)

Cluster là một nhúm cỏc cell. Cỏc kờnh khụng được tỏi sử dụng tần số trong một cluster.

Nhà khai thỏc mạng được cấp giấy phộp sử dụng một số cú hạn cỏc tần số vụ tuyến. Việc quy hoạch tần số, ta phải sắp xếp thớch hợp cỏc tần số vụ tuyến vào một mảng mẫu sao cho cỏc mảng mẫu sử dụng lại tần số mà khụng bị nhiễu quỏ mức.

Hỡnh 2.12 mụ tả vựng phủ súng bằng mảng mẫu gồm 7 cell đơn giản.

Hỡnh 2.12 Mảng mẫu gồm 7 cell

 Cự ly dựng lại tần số

Ta biết rằng sử dụng lại tần số ở cỏc cell khỏc nhau thỡ bị giới hạn bởi nhiễu đồng kờnh C/I giữa cỏc cell đú nờn C/I sẽ là một vấn đề chớnh cần được quan tõm.

Dễ dàng thấy rằng, với một kớch thước cell nhất định, khoảng cỏch sử dụng lại tần số phụ thuộc vào số nhúm tần số N. Nếu N càng lớn, khoảng cỏch sử dụng lại tần số càng lớn và ngược lại.

Ta cú cụng thức tớnh khoảng cỏch sử dụng lại tần số [3]: D = R* 3*N (2.1) (trong đú: R là bỏn kớnh cell)

- 41 -

Hỡnh 2.13 Khoảng cỏch tỏi sử dụng tần số

 Tớnh toỏn C/I

Đồng thời ta cú cụng thức tớnh tỷ số C/I như sau:

Hỡnh 2.14 Sơ đồ tớnh C/I

P là vị trớ của MS thuộc cell A, chịu ảnh hưởng nhiễu kờnh chung từ cell B là lớn nhất. Tại vị trớ P (vị trớ mỏy di động MS) cú: C..Rγ = I ..(D-R)γ  I C =   R R D ) (  =        1 R D = ( 3.N -1)γ (2.2)

Trong đú: γ là hệ số suy giảm (hay độ dốc đường dự bỏo suy hao [dB/dec]), phổ biến nằm trong khoảng từ 3 đến 4 đối với hầu hết cỏc mụi trường.

 (dB)

I C

- 42 -

Bảng 2.3 Quan hệ giữa N và tỷ số C/I

Số cell (N) Kớch thước mảng Tỷ số C/I (dB) Hệ số γ 3,0 3,5 4,0 3 9,0 10,5 12,0 4 11,7 13,7 15,6 7 16,6 19,4 22,2 9 18,7 21,8 24,9 12 21,0 24,5 28,0 21 25,2 29,4 33,6 Để xỏc định vị trớ của cỏc cell đồng kờnh ta sử dụng cụng thức:

N = i2 + i.j + j2. (i, j: nguyờn) (2.4)

Theo cụng thức này: di chuyển từ cell thứ nhất đi i cell theo một hướng, sau đú quay đi 600

và di chuyển đi j cell theo hướng này. Hai cell đầu và cuối của quỏ trỡnh di chuyển này là hai cell đồng kờnh.

Phõn bố tỷ số C/I cần thiết để hệ thống cú thể xỏc định số nhúm tần số N mà ta cú thể sử dụng. Nếu toàn bộ số kờnh quy định  được chia thành N nhúm thỡ mỗi

nhúm sẽ chứa (/N) kờnh. Vỡ tổng số kờnh  là cố định nờn số nhúm tần số N nhỏ hơn sẽ dẫn đến nhiều kờnh hơn ở một nhúm và một vài trạm. Vỡ vậy, việc giảm số lượng cỏc nhúm tần số sẽ cho phộp mỗi trạm tăng lưu lượng nhờ đú sẽ giảm số lượng cỏc trạm cần thiết cho tải lưu lượng định trước.

2.4.2. Cỏc mẫu tỏi sử dụng tần số

Ký hiệu tổng quỏt của mẫu sử dụng lại tần số: Mẫu M/N Trong đú: M = tổng số site trong mảng mẫu

N = tổng số cell trong mảng mẫu

Ba kiểu mẫu sử dụng lại tần số thường dựng là: 3/9; 4/12 và 7/21.

2.4.2.1. Mẫu tỏi sử dụng tần số 3/9

Mẫu tỏi sử dụng lại tần số 3/9 cú nghĩa cỏc tần số sử dụng được chia thành 9 nhúm tần số ấn định trong 3 vị trớ trạm gốc (Site). Mẫu này cú khoảng cỏch giữa cỏc trạm đồng kờnh là D = 5,2R.

Cỏc tần số ở mẫu 3/9 (giả thiết cú 41 tần số từ cỏc kờnh 84 đến 124 - là số tần số sử dụng trong mạng GSM900 của VMS)

- 43 - Bảng 2.4 Ấn định tần số ở mẫu 3/9 Ấn định tần số A1 B1 C1 A2 B2 C2 A3 B3 C3 BCCH 84 85 86 87 88 89 90 91 92 TCH1 93 94 95 96 97 98 99 100 101 TCH2 102 103 104 105 106 107 108 109 110 TCH3 111 112 113 114 115 116 117 118 119 TCH4 120 121 122 123 124

Ta thấy mỗi cell cú thể phõn bố cực đại đến 5 súng mang. Như vậy, với khỏi niệm về kờnh như đó núi ở phần trước thỡ phải dành một khe thời gian cho BCH, một khe thời gian cho SDCCH. Vậy số khe thời gian dành cho kờnh lưu lượng của mỗi cell cũn (5 x 8 - 2) = 38 TCH.

Tra bảng Erlang (Phụ lục), tại GoS 2% thỡ một cell cú thể cung cấp dung lượng 29,166 Erlang.

Giả thiết trung bỡnh mỗi thuờ bao trong một giờ thực hiện 1 cuộc gọi kộo dài 120 giõy, tức là trung bỡnh mỗi thuờ bao chiếm 0,033 Erlang, thỡ mỗi cell cú thể phục vụ được 29,166/0,033 = 833 (thuờ bao).

Hỡnh 2.15 Mẫu tỏi sử dụng lại tần số 3/9

Theo lý thuyết, cấu trỳc mảng 9 cell cú tỷ số C/I > 9 dB đảm bảo GSM làm việc bỡnh thường.

- 44 -

Tỷ số C/A cũng là một tỷ số quan trọng và người ta cũng dựa vào tỷ số này để đảm bảo rằng việc ấn định tần số sao cho cỏc súng mang liền nhau khụng nờn được sử dụng ở cỏc cell cạnh nhau về mặt địa lý.

Tuy nhiờn, trong hệ thống 3/9 cỏc cell cạnh nhau về mặt địa lý như A1 & C3, C1 & A2, C2 & A3 lại sử dụng cỏc súng mang liền nhau. Điều này chứng tỏ rằng tỷ số C/A đối với cỏc mỏy di động hoạt động ở biờn giới giữa hai cell A1 và C3 là 0dB, đõy là mức nhiễu cao mặc dự tỷ số này là lớn hơn tỷ số chuẩn của GSM (- 9 dB). Việc sử dụng cỏc biện phỏp như nhảy tần, điều khiển cụng suất động, truyền dẫn giỏn đoạn nhằm mục đớch giảm tối thiểu cỏc hiệu ứng này.

2.4.2.2. Mẫu tỏi sử dụng tần số 4/12

Mẫu sử dụng lại tần số 4/12 cú nghĩa là cỏc tần số sử dụng được chia thành 12 nhúm tần số ấn định trong 4 vị trớ trạm gốc. Khoảng cỏch giữa cỏc trạm đồng kờnh khi đú là D = 6R. Bảng 2.5 Ấn định tần số ở mẫu 4/12 Ấn định tần số A1 B1 C1 D1 A2 B2 C2 D2 A3 B3 C3 D3 BCCH 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 TCH1 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 TCH2 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 TCH3 120 121 122 123 124

Ta thấy mỗi cell cú thể phõn bố cực đại là 4 súng mang. Như vậy, với khỏi niệm về kờnh như đó núi ở phần trước, một khe thời gian dành cho kờnh BCH, một khe thời gian dành cho kờnh SDCCH. Vậy số khe thời gian dành cho kờnh lưu lượng của mỗi cell cũn (4 x 8 - 2) = 30 TCH. Tra bảng Erlang (Phụ lục), tại GoS = 2 % thỡ mỗi cell cú thể cung cấp dung lượng 21,932 Erlang. Giả sử mỗi thuờ bao chiếm 0,033 Erlang thỡ mỗi cell cú thể phục vụ được 21,932/0,033 = 664 thuờ bao.

Trong mẫu 4/12 số lượng cỏc cell D sắp xếp theo cỏc cỏch khỏc nhau để nhằm phục vụ cho cỏc cell A,B,C. Hiệu quả của việc điều chỉnh này là để đảm bảo hai cell cạnh nhau khụng sử dụng hai súng mang liền nhau (khỏc với mẫu 3/9). Với mẫu này, khoảng cỏch tỏi sử dụng tần số là lớn hơn.

- 45 -

Hỡnh 2.16 Mẫu tỏi sử dụng lại tần số 4/12

Về lý thuyết, cụm 12 cell cú tỷ số C/I > 12 dB. Đõy là tỷ số thớch hợp cho phộp hệ thống GSM hoạt động tốt. Tuy nhiờn, mẫu 4/12 cú dung lượng thấp hơn so với mẫu 3/9 vỡ:

a) Số lượng súng mang trờn mỗi cell ớt hơn (mỗi cell cú 1/12 tổng số súng mang thay vỡ 1/9).

b) Hệ số sử dụng lại tần số thấp hơn (đồng nghĩa với khoảng cỏch sử dụng lại là lớn hơn).

2.4.2.3. Mẫu tỏi sử dụng tần số 7/21

Mẫu 7/21 cú nghĩa là cỏc tần số sử dụng được chia thành 21 nhúm ấn định trong 7 trạm gốc. Khoảng cỏch giữa cỏc trạm đồng kờnh là D = 7,9R.

- 46 - Bảng 2.6 Ấn định tần số ở mẫu 7/21 Ấn định tần số BCCH TCH A1 84 105 B1 85 106 C1 86 107 D1 87 108 E1 88 109 F1 89 110 G1 90 111 A2 91 112 B2 92 113 C2 93 114 D2 94 115 E2 95 116 F2 96 117 G2 97 118 A3 98 119 B3 99 120 C3 100 121 D3 101 122 E3 102 123 F3 103 124 G3 104

Hỡnh 2.17 Mẫu tỏi sử dụng lại tần số 7/21

Ta thấy mỗi cell chỉ được phõn bố tối đa 2 súng mang. Như vậy với khỏi niệm về kờnh như đó núi ở phần trước. Phải cú một khe thời gian dành cho BCH và cú ớt

- 47 -

nhất một khe thời gian dành cho SDCCH, số khe thời gian dành cho kờnh lưu lượng của mỗi cell cũn (2 x 8 - 2) = 14 TCH . Tra bảng Erlang (Phụ lục), tại GoS = 2 % thỡ mỗi cell cú thể cung cấp một dung lượng 8,2003 Erlang. Giả sử mỗi thuờ bao chiếm 0,033 Erlang, như vậy một cell cú thể phục vụ được 8,2003/0,033 = 248 thuờ bao.

Nhận xột

Khi số nhúm tần số N giảm (21, 12, 9), nghĩa là số kờnh tần số cú thể dựng cho mỗi trạm ( /N) tăng thỡ khoảng cỏch giữa cỏc trạm đồng kờnh D sẽ giảm 7,9R; 6R; 5,2R. Điều này nghĩa là số thuờ bao được phục vụ sẽ tăng lờn là: 248; 664 và 883, nhưng đồng thời nhiễu trong hệ thống cũng tăng lờn.

Như vậy, việc lựa chọn mẫu sử dụng lại tần số phải dựa trờn cỏc đặc điểm địa lý vựng phủ súng, mật độ thuờ bao của vựng phủ và tổng số kờnh  của mạng.

- Mẫu 3/9: Số kờnh trong một cell là lớn, tuy nhiờn khả năng nhiễu cao. Mụ hỡnh này thường được ỏp dụng cho những vựng cú mật độ mỏy di động cao. - Mẫu 4/12: Sử dụng cho những vựng cú mật độ lưu lượng trung bỡnh. - Mẫu 7/21: Sử dụng cho những khu vực mật độ thấp.

2.4.3. Thay đổi quy hoạch tần số theo phõn bố lƣu lƣợng

2.4.3.1. 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 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.

- 48 -

Hỡnh 2.18 Thay đổi quy hoạch tần số

Hỡnh 2.18 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.

Bảng 2.7 Ấn định tần số ở mẫu 4/12 với 24 tần số

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

A C

Cell D1 và cell D3 là hai cell liền kề. Mà tải tần 94 và 106 của cell C3 liền kề với tải tần 95 và 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.

- 49 -

Ảnh hưởng tới

I C

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 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 đi chừng 6 - 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 sẽ được núi đến trong cỏc phần sau.

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.

Cỏc nhõn tố khỏc

Cụng cụ phần mềm quy hoạch vụ tuyến sẽ tớnh đến nhiều yếu tố sau đõy khi chuyển kờnh tần số:

- Sự khỏc nhau về cụng suất phỏt vụ tuyến của cỏc trạm BTS. - Sự khỏc nhau về anten được dựng ở cỏc cơ sở mặt bằng. - Địa hỡnh thay đổi

- Mảng mẫu thay đổi. .v.v..

Vỡ 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.

2.4.3.2. Quy hoạch phủ súng khụng liờn tục

Bài toỏn quy hoạch này phải xử lý đặc biệt. Tuy nhiờn, 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.