Chƣơng 2 HỆ THỐNG TRUY NHẬP Vễ TUYẾN UMTS
3.2 QUY HOẠCH ĐỊNH CỠ MẠNG
3.2.1.1 Phõn tớch vựng phủ
Quỏ trỡnh phõn tớch vựng phủ vụ tuyến là thực hiện khảo sỏt cỏc địa điểm cần phủ súng và kiểu vựng phủ cần cung cấp cho cỏc địa điểm này. Cỏc loại vựng phủ thụng thƣờng đƣợc xột nhƣ: cỏc vựng thƣơng mại-du lịch, cỏc vựng dõn số cú mật độ dõn số cao và cỏc đƣờng cao tốc chớnh. Do vậy cần phải cú cỏc thụng tin về cỏc vựng cần phủ súng. Cỏc thụng tin cú thể dựa trờn bản đồ, cỏc số liệu thống kờ, dự bỏo nhƣ: mật độ dõn cƣ (thành phố, ngoại ụ, nụng thụn), khu thƣơng mại-du lịch, khu cụng nghiệp…
Mục đớch của quỏ trỡnh khảo sỏt này bao gồm:
- Để đảm bảo cung cấp một dung lƣợng phự hợp cho cỏc vựng này - Biết đƣợc đặc điểm truyền súng của vựng để xỏc định mụi trƣờng truyền súng vỡ mỗi mụi trƣờng sẽ cú tỏc động trực tiếp đến mụ hỡnh truyền súng.
Cỏc thụng tin về vựng phủ sẽ đƣợc dựng để chuẩn bị bƣớc quy hoạch vựng phủ ban đầu. Thụng thƣờng quy hoạch vựng phủ súng WCDMA thƣờng quan tõm đến cỏc loại hỡnh phủ súng sau:
Bảng 3-1 Cỏc loại hỡnh phủ súng phổ biến Vựng phủ súng Đặc điểm Dense urban (Đụ thị đụng đỳc)
Thụng thường đõy là khu vực đụng dõn cư với nhiều nhà cao tầng, là khu trung tõm với văn phũng và cỏc trung tõm mua sắm, giải trớ, nhà ga…
Urban (Đụ thị)
Thụng thường đõy là cỏc khu vực đường phố và cõy xanh xen kẽ một vài tũa nhà cao tầng, cỏc tũa nhà cao tầng cỏch xa nhau
Sub Urban (Ngoại ụ)
Khu ngoại ụ với cỏc nhà vườn và cụng viờn, khu nghỉ dưỡng…
Rural (nụng
thụn) Khu vực nụng thụn
Một yếu tố nữa cũng ảnh hƣởng đến vựng phủ súng là xỏc định vựng phủ theo dịch vụ. Nhƣ đĩ biết hệ thống WCDMA là hệ thống đa truy nhập dịch vụ với cấu trỳc đa kờnh cú thể sử dụng đƣợc nhiều dịch vụ. Một số dịch vụ chớnh thƣờng dựng trong hệ thống truy nhập WCDMA:
Bảng 3-2 Cỏc loại loại dịch vụ chớnh của WCDMA
Ứng với mỗi loại hỡnh dịch vụ sẽ cú bỏn kớnh phục vụ tƣơng ứng phụ thuộc vào mĩ trải phổ, cụng suất phỏt cực đại và chất lƣợng dịch vụ yờu cầu. Tựy theo mỗi khu vực và dự bỏo nhu cầu sử dụng dịch vụ thỡ sẽ cú cỏc bỏn kớnh phục vụ khỏc nhau, chẳng hạn nhƣ hỡnh dƣới đõy sẽ mụ tả bỏn kớnh tối đĩ của cỏc loại dịch vụ (ứng trƣờng hợp dịch vụ sử dụng liờn tục)
Hỡnh 3-3 Vựng phủ súng của cell theo cỏc loại dịch vụ khỏc nhau.
Kiểu kờnh Dịch vụ hỗ trợ
CS 12.2K Voice
CS 64K Video Phone
PS 64K Email, Web
PS 384K Email, Web ,Video Streaming, Mobil TV
Từ cỏc yờu cầu về vựng phủ theo nhu cầu dịch vụ và kiểu vựng phủ, vấn đề tiếp theo trong việc định cỡ mạng là tớnh quỹ đƣờng truyền vụ tuyến. Quỹ đƣờng truyền vụ tuyến đặc trƣng cho từng loại dịch vụ, tức là mỗi loại dịch vụ yờu cầu một quỹ đƣờng truyền nhất định đảm bảo đỏp ứng cỏc yờu cầu đặt ra.
3.2.1.2 Tớnh toỏn quỹ đường truyền vụ tuyến.
Cũng giống nhƣ cỏc hệ thống thụng tin di động tế bào khỏc, quỹ đƣờng truyền trong hệ thống WCDMA dựng để tớnh toỏn suy hao đƣờng truyền cho phộp lớn nhất để tớnh toỏn vựng phủ (tớnh bỏn kớnh cell) của một trạm gốc và trạm di động. Cỏc thành phần để tớnh suy hao cho phộp lớn nhất của tớn hiệu từ trạm phỏt đến trạm thu gọi là quỹ đƣờng truyền. Quỹ đƣờng truyền tổng quỏt cho cả đƣờng lờn và đƣờng xuống bao gồm cỏc thành phần sau:
(a) Cụng suất mỏy phỏt (dBm):
(a1) Cụng suất mỏy phỏt trung bỡnh trờn một kờnh lưu lượng (dBm): là giỏ trị
trung bỡnh của cụng suất phỏt tổng trờn một chu trỡnh truyền dẫn với cụng suất phỏt cực đại lỳc bắt đầu phỏt.
(a2) Cụng suất mỏy phỏt cực đại trờn một kờnh lưu lượng (dBm): cụng suất
tổng cộng tại đầu ra của mỏy phỏt cho một kờnh lƣu lƣợng đơn.
(a3) Cụng suất mỏy phỏt tổng cộng cực đại (dBm): tổng cụng suất phỏt cực
đại của tất cả cỏc kờnh.
(b) Tổn hao do ghộp, giắc cắm và do cỏp(mỏy phỏt) (dB): suy hao tổng cộng
của tất cả cỏc thành phần của hệ thống truyền dẫn giữa đầu ra của mỏy phỏt và đầu vào anten.
(c) Tăng ớch anten phỏt (dBi): tăng ớch cực đại của anten phỏt trong mặt
phẳng ngang (xỏc định theo dB so với một vật phỏt xạ đẳng hƣớng).
(d1) EIRP của mỏy phỏt trờn một kờnh lưu lượng (dBm): tổng cụng suất đầu
ra mỏy phỏt cho một kờnh (dBm), cỏc suy hao do hệ thống truyền dẫn (-dB) và tăng ớch anten mỏy phỏt (dBi) theo hƣớng bức xạ cực đại.
(d2). EIRP của mỏy phỏt: tổng của cụng suất mỏy phỏt của tất cả cỏc kờnh
(dBm), cỏc suy hao do hệ thống truyền dẫn (-dB), và tăng ớch anten phỏt (dBi).
(e). Tăng ớch anten thu (dBi): tăng ớch tối đa của anten thu trong mặt phẳng
ngang; nú đƣợc xỏc định theo dB so với một vật phỏt xạ đẳng hƣớng.
(f). Tổn hao do bộ chia, đầu nối và do cỏp (Mỏy thu) (dB): bao gồm cỏc tổn
hao của tất cả cỏc thành phần trong hệ thống truyền dẫn giữa đầu ra của anten thu và đầu vào của mỏy thu .
(g). Hệ số tạp õm mỏy thu (dB): hệ số tạp õm của hệ thống thu tại đầu vào
mỏy thu.
(h) (H). Mật độ tạo õm nhiệt, N0(dBm/Hz): cụng suất tạp õm trờn một Hz tại
đầu vào mỏy thu. Lƣu ý rằng (h) là đơn vị logarit cũn (H) là theo đơn vị tuyến tớnh.
(i) (I). Mật độ nhiễu mỏy thu I0 (dBm/Hz): cụng suất nhiễu trờn một Hz tại
đầu vào mỏy thu. Nú tƣơng ứng với tỷ số cụng suất nhiễu trong dải trờn độ rộng băng tần. Lƣu ý (i) là theo đơn vị logarit và (I) theo đơn vị tuyến tớnh. Mật độ nhiễu mỏy thu I0 đối với đƣờng xuống là cụng suất nhiễu trờn một Hz tại mỏy thu MS ở biờn giới vựng phủ súng, trong một cell phớa trong.
(j) Mật độ tạp õm nhiễu hiệu dụng tổng cộng (dBm/Hz): tổng logarit của
mật độ tạp õm mỏy thu và hệ số tạp õm mỏy thu cộng số học với mật độ nhiễu mỏy thu.
(k). Tốc độ thụng tin (10log10(Rb)) (dBHz): tốc độ bit của kờnh theo (dBHz);
(l) Tỷ số Eb/(N0+I0) yờu cầu (dB): tỷ số giữa năng lƣợng thu đƣợc của một bớt
thụng tin trờn mật độ cụng suất nhiễu và tạp õm hiệu dụng cần thiết để thoả mĩn đƣợc cỏc mục tiờu về chất lƣợng.
(m). Độ nhạy mỏy thu (j+k+l) (dBm): mức tớn hiệu cần đạt đƣợc tại đầu vào
mỏy thu để cú đƣợc tỷ số Eb/(N0+I0) yờu cầu.
(n) Độ lợi/ Suy hao chuyển giao (dB): độ lợi/suy hao (†) do việc chuyển giao
để duy trỡ độ tin cậy cụ thể tại biờn giới cell.
(o) Tăng ớch (độ lợi) phõn tập (dB): tăng ớch hiệu dụng đạt đƣợc nhờ sử dụng
cỏc kỹ thuật phõn tập. Nếu tăng ớch phõn tập đĩ đƣợc gộp trong Eb/(N0+I0), thỡ nú sẽ khụng đƣợc đƣa thờm ở đõy.
(o’) Cỏc tăng ớch khỏc (dB): cỏc tăng ớch phụ, vớ dụ nhƣ đa truy nhập phõn
tập theo khụng gian cú thể tạo thờm tăng ớch anten.
(p) Độ dự trữ phadinh chuẩn Log (dB): đƣợc xỏc đinh tại biờn giới cell đối
với cỏc cell riờng lẻ ứng với độ dự trữ yờu cầu để cung cập xỏc suất phủ súng xỏc định trờn cỏc cell riờng lẻ.
(q). Suy hao đường truyền tối đa (dB): suy hao tối đa để cho phộp để mỏy
thu cú thể thu đƣợc tớn hiệu từ mỏy phỏt tại biờn giới cell: Suy hao tối đa = d1–m+(e-f)+o+o‟+n-p
(r). Bỏn kớnh tối đa, Rmax (km): đƣợc tớnh toỏn cho mỗi hồn cảnh triển khai,
nú đƣợc xỏc định bằng bỏn kớnh ứng với suy hao tối đa.
Trong WCDMA, cú một số cỏc thụng số đặc biệt trong quỹ đƣờng truyền mà khụng đƣợc sử dụng trong hệ thống truy nhập vụ tuyến của GSM, đú là:
- 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 tỏc động nờn vựng phủ, nờn cần phải cú độ dự trữ nhiễu. Nếu cho phộp tải trong hệ thống càng lớn, độ dữ trữ nhiễu cần thiết cho đƣờng lờn càng lớn và vựng phủ càng nhỏ. Giỏ trị tải tổng cộng cú
ảnh hƣởng trực tiếp đến vựng phủ cell và vỡ thế mà ảnh hƣởng giỏn tiếp đến chất lƣợng của cỏc dịch vụ.
Quan hệ giữa hệ số tải và độ dự trữ nhiễu nhƣ sau: 10
10*log (1 )
IM
- Độ dự trữ Fading chậm và độ lợi chuyển giao mềm: Chuyển giao mềm hay ứng cung cấp một độ lợi chống lại Fading chậm bằng cỏch giảm độ dự trữ Fading chuẩn log yờu cầu. Do trờn thực tế Fading chậm một phần khụng tƣơng quan giữa cỏc cell và bằng cỏch thực hiện chuyển giao, mỏy di động cú thể chọn lựa một liờn kết thụng tin tốt hơn. Hơn nữa, chuyển giao mềm đem lại một độ lợi phõn tập bổ sung chống lại Fading nhanh bằng cỏch giảm Eb/N0 tuỳ theo liờn kết vụ tuyến đơn do tỏc dụng của việc kết hợp phõn tập macro.
Việc dự trữ Fading chậm theo yờu cầu sẽ đỏnh giỏ đƣợc xỏc xuất vựng phủ súng nhƣ sau:
Hỡnh 3-4 Ảnh hưởng của SFM đến vựng phủ súng.
Thụng thƣờng trong cỏc hệ thống WCDMA, thỡ SFM cú giỏ trị và ảnh hƣởng đến hiệu suất vựng phủ nhƣ sau:
Bảng 3-3 Giỏ trị SFM thụng dụng.
Fngưỡng
Hàm xỏc xuất vựng phủ:
P COVERAGE (x) = P [F(x) > Fngưỡng ]
Received Signal Level [dBm]
Xỏc xuất bao phủ
SFM yờu cầu Khụng cú SFM
Dense
urban Urban Suburban Rural
Hiệu suất phủ súng 95% 95% 90% 90%
Shadow fading
Margin, dB 6 6,06 4,1 3,8
- Độ dự trữ Fading nhanh (khoảng hở điều khiển cụng suất): Một số khoảng hở cần cho cụng suất phỏt của trạm di động để duy trỡ việc điều khiển cụng suất hợp lý. Thụng số này đƣợc ỏp dụng một cỏch đặc biệt cho MS di chuyển chậm mà tại đú điều khiển cụng suất nhanh cú thể bự Fading nhanh một cỏch hiệu quả.
Ngồi ra đờ tớnh toỏn quỹ đƣờng truyền vụ tuyến, cần quan tõm đến cỏc giả định thụng số nhƣ suy hao, độ lợi, cụng suất phỏt…điển hỡnh nhƣ cỏc thụng số sau:
Bảng 3-4 Thụng số giả định của MS.
Thoại & Data tốc độ thấp
Data tốc độ cao Cụng suất phỏt lớn
nhất 21-22 dBm 24 dBm
Tăng ớch anten 0 dBi 2 dBi
Suy hao cơ thể 3 dB 0 dB
Bảng 3-5 Thụng số giả định của Node-B.
Hỡnh dạng nhiễu 2,1 dB tại tần số
2,1GHz
Tăng ớch anten 18 dBi
E0/N0 yờu cầu
CS 12,2: 4,3 dB (GoS: 0,01%) CS 64: 2,8 dB (GoS: 0,01%) PS 64: 1,4 dB (BLER: 1%) PS 128 : 1 dB (BLER: 1%) PS 384 : 1,5 dB (BLER: 1%)
Suy hao cỏp
0,5 dB khi sử dụng TMA
3 dB khi khụng sử dụng TMA
Ngồi ra yếu tố anten ảnh hƣởng đến quỹ cụng suất đƣờng truyền chớnh là độ cao anten. Thụng thƣờng khi thực hiện lắp đặt hệ thống WCDMA từ hệ thống 2G hiện cú thỡ anten thƣờng đƣợc lắp đặt chung với cột anten của hệ thống 2G, với cơ sở hạ tầng hiện cú của cỏc mạng di động tại Việt Nam thỡ độ cao anten của hệ thống mới theo loại vựng phủ sẽ cú giỏ trị nhƣ sau:
Bảng 3-6 Thụng số độ cao anten theo vựng phủ súng.
Loại vựng phủ Độ cao Anten
Dense Urban 25~30 m
Urban 30~35 m
Suburban 35~40 m
3.2.1.3 Tớnh toỏn bỏn kớnh cell.
Sau khi tớnh đƣợc suy hao đƣờng truyền lớn nhất và cú đƣợc độ dữ trữ fading chậm cần thiết thỡ bỏn kớnh cell R cú thể đƣợc tớnh cho mụ hỡnh truyền súng đĩ biết, chẳng hạn nhƣ mụ hỡnh Okumura-Hata, Walfish-Ikegami.
Khi bỏn kớnh phỳ súng của cell đƣợc xỏc định thỡ cú thể tớnh đƣợc diện tớch phủ súng của cell (phụ thuộc vào cấu hỡnh Sector của Node-B) theo cụng thức :
S = K . R2
Với K là hệ số ứng với số Sector trong cell cú giỏ trị nhƣ sau:
Bảng 3-7 Giỏ trị K theo cấu hỡnh site.
Cấu hỡnh site Vụ
hướng 2 Sector 3 Sector 6 Sector
K 2,6 1,3 1,95 2,6
Từ cỏc thụng số và đặc điểm đĩ nờu trờn, ta cú một mụ hỡnh tớnh toỏn quỹ đƣờng truyền vụ tuyến tƣơng ứng với cỏc loại dịch vụ khỏc nhau và từ đú
đƣa ra đƣợc bỏn kớnh cell phự hợp. Dƣới đõy mụ tả một vớ dụ tham khảo về cỏch tớnh R (cell) dựa trờn cỏc yờu cầu về độ phủ súng cho cỏc loại dịch vụ tƣơng ứng với từng loại vựng phủ khỏc nhau của khu vực thành phố, cụ thể:
Bảng 3-8 Bảng tớnh R-Cell tham khảo.
Scenarios Dens e Urba n Urban Subur ban Link Budget Formula Continuous coverage service CS64 CS64 CS12, 2 a Tx
Max. NodeB transmit
power(dBm) 43 43 43
Max. TCH transmit
power (dBm) 22 22 22 b
Cable loss Tx (dB) 0 0 0 c
Body loss Tx (dB) 0 0 0 d
Antenna gain Tx (dBi) 0 0 0 e
EIRP (dBm) 22 21 21 f = b – c - d + e
Rx
Antenna gain Rx (dBi) 18 18 18 g
Cable loss Rx (dB) 0,5 0,5 0,5 h Body loss Rx (dB) 0 0 0 i Noise figure (dB) 2,1 2,1 2,1 j=h+1.6 Required Eb/No (dB) 2,8 2,8 4,3 k Receiver sensitivity (dBm) - 121,0 4 - 121,04 - 126,74 l = - 174+j+k+10*log10(a* 1000) Target load 50% 50% 50% M Interference margin (dB) 3,01 3,01 3,01 n= -10*log10(1-m)
Fast fading margin
(dB) 1,8 1,8 1,8 o
Penetration loss (dB) 19 15 10 q
Area coverage
Scenarios Dens e Urba n Urban Subur ban Link Budget Formula (dB) Path loss (dB) 130,7 3 135,17 146,83 S = f+g–I–l–n–o–q-r Cell radius
NodeB antenna height
(m) 30 35 35 Propagation model used Cost 231- Hata Cost 231- Hata Cost 231- Hata Cell radius (km) 0,53 0,93 3,42 3.2.2 Phõn tớch dung lƣợng
3.2.2.1 Giới thiệu mụ hỡnh tớnh toỏn dung lượng Erlang-B
Dựa vào quỹ đƣờng truyền và sử dụng mụ hỡnh truyền súng phự hợp sẽ tớnh đƣợc vựng phủ ban đầu. Tuy nhiờn đõy chỉ là một phần quy hoạch ban đầu. Bƣớc tiếp theo là việc quy hoạch là tớnh toỏn dung lƣợng của hệ thống tối đa từ đú xem xột cú hiệu quả để hỗ trợ tải hay dung lƣợng dự kiến ban đầu khụng. Thực tế khụng thể đạt đƣợc tải cell bằng 100% lý tƣởng mà tải cell chỉ đạt đƣợc khoảng 60%-70%. Nếu thực chƣa đạt yờu cầu thỡ cần phải quay lại bƣớc ban đầu để định cỡ bổ sung thờm số trạm hoặc thực hiện nõng cấp/mở rộng thờm dung lƣợng tại cỏc trạm sao cho đảm bảo đƣợc chi phớ đầu tƣ mà vẫn thỏa mĩn đƣợc cỏc yờu cầu kỹ thuật đạt ra.
Một mụ hỡnh tớnh toỏn dung lƣợng thiết bị cần thiết nhằm thỏa mĩn đƣợc nhu cầu dịch vụ của thuờ bao với giỏ thành triển khai lắp đặt càng nhỏ đú chớnh là kỹ thuật lƣu lƣợng. Kỹ thuật lƣu lƣợng viễn thụng nghiờn cứu việc tối ƣu cấu trỳc mạng và điều chỉnh số lƣợng thiết bị đƣợc xỏc định trờn cơ sở lƣu lƣợng. Trong phạm vi đề tài, ta sẽ đi vào tỡm hiểu ứng dụng mụ hỡnh lƣu lƣợng Erlang-B. Mụ hỡnh Erlang-B đƣợc mụ tả bởi cỏc yếu tố sau:
- Cấu trỳc: cú n kờnh đồng nhất hoạt động song song và đƣợc gọi là một nhúm đồng nhất.
- Chiến lƣợc: Một cuộc gọi đến hệ thống đƣợc chấp nhận nếu cú ớt nhất một kờnh rỗi. Nếu hệ thống bận thỡ cuộc gọi sẽ bị từ chối mà khụng gõy một ảnh hƣởng nào sau đú.
- Lƣu lƣợng: Lƣu lƣợng phỏt sinh đƣợc định nghĩa là tỉ số giữa cuộc gọi trung bỡnh trờn cƣờng độ phục vụ trung bỡnh. Khi đú lƣu lƣợng của một thuờ bao A đƣợc tớnh theo cụng thức sau:
3.600
n T A
(4.3) Trong đú:
A: lƣu lƣợng thuờ bao A
n: số cuộc gọi trung bỡnh trong một giờ
T: thời gian trung bỡnh của một cuộc gọi tớnh bằng giõy (s)
Giả sử tớnh lƣu lƣợng của thuờ bao A cú trung bỡnh 1 cuộc gọi 15 phỳt trong một giờ, khi đú lƣu lƣợng của thuờ bao A sẽ là:
+ n = 1 + T = 15 x 60s = 900 (s) => 1 900 0, 25er 3.600 3.600 n T A l
- Một số định nghĩa cho mụ hỡnh Erlang:
+ Hệ thống tiờu hao: Đõy là hệ thống mà cỏc thuờ bao sẽ bị từ chối thực hiện cuộc gọi khi hệ thống đầy tải
+ Hệ thống theo kiểu đợi: Đõy là hệ thống mà cỏc thuờ bao sẽ đƣợc chờ thực hiện cuộc gọi khi hệ thống đầy tải.
+ Đơn vị lƣu lƣợng: Erlang là đơn vị đo mật độ lƣu lƣợng. Một Erl mụ tả tổng lƣu lƣợng trong một giờ.
+ Cấp độ phục vụ (GoS): là đại lƣợng thể hiện số % cuộc gọi khụng thành cụng đối với hệ thống tiờu hao. Cũn trong hệ thống đợi thỡ GoS là số % cuộc gọi thực hiện chờ gọi lại.
3.2.2.2 Cỏc phương phỏp chuyển đổi lưu lượng hệ thống UMTS theo mụ hỡnh Erlang
Trong khuụn khổ của luận văn, chỉ xin trỡnh bày cỏch chuyển đổi lƣu lƣợng từ cỏc loại hỡnh dịch vụ khỏc nhau ra đơn vị Erlang, cụ thể nhƣ sau:
- Lƣu lƣợng dịch vụ thoại: Giả sử theo thống kờ trung bỡnh một thỏng thuờ bao gọi thoại là 240 phỳt. Khi đú để tớnh lƣu lƣợng bỡnh qũn lƣu lƣợng thoại trờn mỗi thuờ bao sẽ thực hiện nhƣ sau:
+ Số ngày thực hiện cuộc gọi thƣờng xuyờn trong thỏng là: 22 ngày + Số phỳt bỡnh qũn trong ngày sẽ là: 240 min = 10, 91
22 day
+ Bỡnh qũn trong ngày cú 8h bận nờn số phỳt bỡnh qũn của một