- 35 -
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 thấp nhất. Thực hiện được điều này thỡ yờu cầu phải tận dụng được cơ sở hạ tầng của trạm cũ. Để đỏp ứng được yờu cầu này, người ta sử dụng phương phỏp giảm kớch thước cell gọi là tỏch cell (cell splitting).Theo phương phỏp này việc hoạch định được chia thành cỏc giai đoạn sau:
2.3.3.1. Phase 0
Khi mạng lưới mới được thiết lập, lưu lượng cũn thấp, số lượng trạm cũn ớt, mạng thường sử dụng cỏc “omni cell” với cỏc anten đẳng hướng, phạm vi phủ súng rộng.
Hỡnh 2.8 Cỏc Omni cell 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 tỷ số C/I. Cỏc tần số khụng thể được ấn định một cỏch ngẫu nhiờn cho cỏc cell. Để thực hiện được điều này, phương phỏp phổ biến là chia cell theo thứ tự.
2.3.3.2. Phase 1: Sector húa
Thay anten đẳng hướng (omni) bằng 3 anten riờng biệt định hướng dải quạt 1200 là một giải phỏp tỏch chia một cell thành 3 cell. Đú là giải phỏp sector húa (sectorization). 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 (site) 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.
- 36 -
Hỡnh 2.9 Giai đoạn 1: Sector húa
2.3.3.3. Phase 2: Tỏch chia nhỏ hơn nữa về sau
Tỏch chia cell 1:3 thờm lần nữa
Hỡnh 2.10 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.
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.
- 37 -
Hỡnh 2.10 Tỏch chia 1:3 thờm lần nữa
Tỏch chia 1:4 (sau lần đầu chia 3)
- 38 -
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 2.11.
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 tỷ số nhiễu C/I.
Bõy giờ ta hóy xột một vớ dụ để thấy được khi tăng dung lượng và 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 tỏch 3 và tỏch 4.
Cũng giả thiết rằng một thuờ bao cú lưu lượng 0,02 Erlang với cấp độ phục vụ GoS = 5%. Với 24 tần số, nghĩa là số kờnh logic của hệ thống sẽ là:
24 x 8 = 192 kờnh
Trong giai đoạn thứ nhất, khi một cụm (số nhúm tần số) là N = 7, thỡ số kờnh lưu lượng TCH cho mỗi cell là:
(192 - 2 x7 )/7 = 178/7 = 25 TCH
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 2.1 sau.
Bảng 2.1 Thống kờ về mật độ lưu lượng qua cỏc bước tỏch cell
Giai đoạn Bỏn kớnh ụ N TCH mỗi ụ Phạm vi ụ Số thuờ bao/ụ Số thuờ bao/km2 Hiệu quả trung kế 0 14 km 7 25 499,2 km2 999 2,0 76% 1 8 km 21 8 166,4 km2 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%
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 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 phỏt 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
- 39 -
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 phỏt của BTS (thường là cỏc trạm Repeater) thấp.
2.4. 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