Lý thuyết quy hoạch cell và sử dụng lại tần số:
Trong hệ thống vô tuyến cellular, vùng phủ sóng được chia ra thành các diện tích nhỏ hơn gọi là cell. Mỗi cell được phục vụ bởi một trạm vô tuyến cốđịnh còn gọi là trạm thu phát gốc hay BTS. Cell được vẽ tượng trưng thành các hình lục giác cho thuận tiện. Cạnh của các hình lục giác là quỹ tích của các điểm mà ở đó theo lý thuyết cường độ tín hiệu của hai cell liền kề là như nhau.
Tuy nhiên trong thực tế, việc quy hoạch phải xét đến vấn đề là truyền sóng vô tuyến rất phụ thuộc vào địa hình, các tính chất không đồng nhất của bề mặt mặt đất và vì thế các hình lục giác là các mô hình hết sức đơn giản của các hình mẫu phủ vô tuyến.
Nguyên lý chung khi thiết kế các hệ thống cellular là các mẫu sử dụng lại tần số. Theo định nghĩa sử dụng lại tần số là sử dụng các kênh vô tuyến ở cùng một tần số mang để phủ cho các vùng địa lý khác nhau. Các vùng này phải được cách nhau ở cự ly đủ lớn để mọi nhiễu giao thoa đồng kênh có thể chấp nhận được.
Theo định nghĩa tỷ số sóng mang trên nhiễu giao thoa (C/I) là tỷ số giữa mức tín hiệu mong muốn thu và mức tín hiệu không mong muốn thu:
/ 10 log [dB] (Phương trình 3.2)
Phân bố tỷ số C/I cần thiết ở hệ thống xác định nhóm tần số F mà ta có thể sử dụng. Nếu toàn bộ số kênh quy định N được chia thành F nhóm thì mỗi nhóm sẽ chứa N/F kênh. Vì tổng số kênh N là không đổi nên số nhóm tần số F nhỏ hơn sẽ
66
dẫn đến nhiều kênh hơn ở một nhóm và ở một trạm. Vì vậy việc giảm số lượng các nhóm tần số sẽ cho phép mỗi trạm tăng lưu lượng nhờ vậy giảm tổng số các đài trạm cần thiết cho tải lưu lượng định trước. Tuy nhiên việc giảm số lượng nhóm tần số và giảm cự ly đồng kênh sẽ dẫn đến phân bố C/I trung bình thấp hơn ở hệ thống. Các biện pháp nâng cao dung lượng mạng:
- Chia nhỏ ô: Những thiết kế ban đầu cho một hệ thống thường sử dụng những cell với 1BTS đặt ở trung tâm dùng anten omni. Nhưđã nói ở trên, những cell này được gộp vào một nhóm gọi là cluster. Khi lưu lượng trong mạng tăng lên đòi hỏi phải sử dụng thêm nhiều sóng mang hoặc phải sử dụng lại tần số (một cách khác để tăng khả năng lưu lượng của mạng là sử dụng bộ mã hoá thoại bán tốc nhưng điều này vẫn chưa có khả năng thực hiện và phải thay đổi máy điện thoại của thuê bao). Bất cứ một sự thay đổi nào trong cấu trúc quy hoạch tần số sẽảnh hưởng đến tỷ số C/I. Tần số không thể phân bổ cho các cell một cách ngẫu nhiên. Nếu việc sử dụng lại tần số quá nhiều sẽ rất khó khăn và đòi hỏi phải có một phương pháp khác hiệu quả hơn. Một giải pháp khác rất phổ biến và có thể thực hiện được là sử dụng phương pháp chia nhỏ cell.
Một điều tất nhiên là khi kích thước cell nhỏ sẽ tăng dung lượng lưu thông. Tuy nhiên một cell có kích thước nhỏ hơn nghĩa là đòi hỏi nhiều trạm hơn và giá thành của cơ sở hạ tầng sẽ cao hơn. Trong thực tế, biện pháp chia ô để thích ứng kích thước và dung lượng yêu cầu là thực sự cần thiết. Đó là hệ thống được đưa vào sử dụng ban đầu có kích thước lớn, khi hệ thống cần phát triển với dung lượng lớn, kích thước các cell phải giảm để đáp ứng được yêu cầu mới. Việc giảm kích thước cell sẽđược áp dụng tuỳ theo khu vực khác nhau.
Ban đầu, khi mạng mới được thiết lập, lưu lượng còn thấp, số lượng đài trạm còn ít, mạng thường sử dụng các cell có kích thước lớn với anten vô hướng, phạm vi phủ sóng rộng.
Bước tiếp theo, từ cell ban đầu chia thành 3 cell nhỏ nhưng vẫn sử dụng trạm ban đầu phủ sóng cho các cell nhỏ nhờ sử dụng các anten định hướng. Bây giờ số trạm vẫn giữ nguyên nhưng số lượng cell tăng lên gấp 3 lần so với trước. Số tần số được sử dụng lại sẽ tăng lên 3 lần. Giai đoạn này có thể gọi là sector hoá. Bởi vì mạng luôn luôn phát triển, yêu cầu cần phải có sự chia ô tiếp theo.
67
Ta có thể tiếp tục chia các cell đã được sector hoá thành 3 cell nhỏ. Những trạm cũ vẫn có thểđược sử dụng nhưng cần phải xoay lại hướng anten 300 (ngược chiều kim đồng hồ) để phù hợp với mẫu mới. Hiệu quả là tăng được tần số sử dụng lại và do đó công suất lưu lượng lên 3 lần. Cái giá phải trả là phải tăng số trạm lên 3 lần và trên thực tế cách này không được áp dụng rộng rãi.
Thay đổi sự phân bố tần số: Từ trước đến nay ta vẫn giả thiết rằng mỗi cell được cấp phát một số lượng tần số như nhau. Trên thực tế lưu lượng phân bố rất khác nhau, có những cell thường rất ít hoạt động trong khi những cell khác liên tục bận. Vấn đề này có thểđược giải quyết bằng cách đưa các sóng mang từ các cell có lưu lượng thấp sang các cell có lưu lượng cao. Điều này sẽ phá vỡ cấu trúc quy hoạch tần số và nếu không tính toán chi tiết sẽ gây ra mức giao thoa không thể chấp nhận được. Một biện pháp để khắc phục vấn đề này là sử dụng tần sốđược đưa sang ở mức công suất thấp hơn các tần số khác trong cell.
Cấu trúc cell phân cấp: Khái niệm về cấu trúc cell phân cấp (hay phân lớp) là dựa trên ý tưởng sử dụng mức công suất thấp nhất để tối thiểu hoá nhiễu giao thoa. Các lớp bao gồm macro cell, micro cell và pico cell. Mỗi lớp thực hiện các chức năng khác nhau nhưng được định nghĩa rõ ràng. Macro cell phục vụ cho các cuộc gọi mà người thực hiện có tốc độ di chuyển khá nhanh, chẳng hạn sử dụng dịch vụ trên ôtô, micro cell tập trung cho các cuộc gọi có tốc độ di chuyển chậm hơn như của người đi bộ trong khi pico cell phủ sóng INDOOR ở những khu vực như các siêu thị hoặc các toà nhà làm việc.
Hình 3.8: Chia ô ban đầu thành 3 cell theo mẫu 1:3 Đường bao cell ban đầu
68
Với việc đưa vào các lớp micro cell và pico cell thì việc tăng thêm dung lượng mạng và cải thiện chất lượng thông tin là hoàn toàn có thể thực hiện được. Theo đó, chức năng của các lớp thấp hơn là để cung cấp dung lượng (provide capacity) cho hệ thống còn chức năng của các lớp cao hơn là để cung cấp vùng phủ sóng (provide coverage), lấp đầy các lỗ trống trong vùng phủ sóng của các lớp thấp hơn.
Đầu tiên, tín hiệu bị nhiễu sau thời gian sẽ tán xạ dó đó không còn là một dải phổ phẳng. Hơn nữa, nếu phương pháp điều chế OFDM không được sử dụng trong nhiễu các cell lân cận, tín hiệu thu được tại thiết bị của người sử dụng là không phải dải phổ phẳng, do đó kết quả có thể không chính xác đối với mô hình khi sử gặp nhiễu trắng.
Ảnh hưởng thực tế của nhiễu giữa các cell lân cận và để xác định đại lượng này ta sử dụng EESM (Lập sơđồ theo hàm mũ SIR) và khi thu được kết quả, điều rút ra là: Như kỳ vọng, hiệu suất của hệ thống tăng lên khi số lượng các OFDM unit được sử dụng cho việc xử lý nhiễu giữa các cell lận cận so với WCDMA.
Trường hợp phải sử dụng toàn tải được coi như trường hợp xấu nhất.