Vào khoảng năm 1980, M.Hata đã giới thiệu mô hình toán học trong việc tính suy giảm đường truyền dựa trên những phân tích dữ liệu của Okumula.
Lp(đô thị ) = 69,55 + 26,16.logf – 13,82.log(hb) – a(hm) + [44,9 – 6,55log(hb)].logd
Trong đó:
Lp(đô thị) : suy hao đường truyền đối với đô thị đông dân [dB] f : tần số sóng mang (150÷1500) MHz
hb : chiều cao của anten trạm gốc (30÷200) m hm : chiều cao anten máy di động (1÷20) m
d : khoảng cách từ trạm gốc đến máy di động (1÷20) km Hệ số hiệu chỉnh anten a(hm) :
a(hm) = (1,1.logf – 0,7).hm – (1,56.logf – 0,8) Và công thức tính suy hao cho vùng ngoài đô thị:
Lp(ngoại ô) = Lp(đô thị) – 2.[log(f/28)]2 – 5,4
Lp(nông thôn) = Lp(đô thị) – 4,78(logf)2 + 18,33.logf – 40,94
Mô hình Hata được sử dụng rộng rãi nhưng trong các trường hợp đặc biệt như nhà cao tầng phải sử dụng Microcell với Anten lắp đặt dưới mái nhà cần phải sử dụng mô hình khác được giới thiệu tiếp theo.
2.4.2.2 Mô hình COST 231
(Collaborative studies in Science and Technology - Cộng tác nghiên cứu khoa học và công nghệ) được sự bảo trợ của EU. COST231 bao gồm một số vấn đề liên quan tới vô tuyến của ô và những mô hình truyền sóng. Một Microcell được COST231 định nghĩa là một cell nhỏ với phạm vi từ 0,5 đến 1 km, trong phạm vi này anten gốc nói chung được đặt thấp hơn độ cao của toà nhà cao nhất.
Anten trạm gốc của cell lớn hoặc cell nhỏ nói chung đều được đặt phía trên của toà nhà cao nhất. Cell nhỏ của GSM được giới hạn trong phạm vi bán kính khoảng 1÷3 km, trái lại cell lớn có thể mở rộng phạm vi bán kính lên tới 35 km. Dựa trên cơ sở này, COST đưa ra mô hình Hata COST231.
2.4.2.3 Mô hình Hata COST 231
Mô hình này được thiết kế để hoạt động trong dải tần từ 1500÷2000 MHz ở đô thị hoặc ngoại ô, ta có công thức:
Lp = 46,3 + 33,9.logf –13,82.loghb – a(hm) + (44,9 – 6,55.loghb).logd + Cm
Trong đó:
Lp : suy hao đường truyền ( dB ) f : tần số hoạt động ( MHz ) hb : độ cao anten trạm gốc ( m ) hm : độ cao anten máy di động ( m ) a(hm) : hệ số hiệu chỉnh anten
d : khoảng cách từ trạm gốc đến máy di động ( km )
Cm = 0 dB đối với thành phố cỡ trung bình hoặc trung tâm ngoại ô Cm = 3 dB đối với trung tâm đô thị
2.4.2.4 Mô hình SAKAGAMIKUBOL
Đây là mô hình được phát triển dựa trên kết quả của mô hình Okumura. Kết quả là có được một mô hình đáng quan tâm bởi những lý do sau:
1. Nó đưa ra rất nhiều tham số cho môi trường đô thị.
2. Nó có thể đáp ứng được trên phạm vi tần số 450÷2200 MHz.
3. Nó đưa ra những qui định hợp lệ đối với những độ cao của anten trạm gốc thấp hơn đỉnh các toà nhà, để tạo ra mô hình hữu ích cho ứng dụng của Microcell.
Công thức của mô hình này là:
Lp = 100 – 7,1.logW + 0,023.φ + 1,4.loghs + 6,1.log<H> – [24,37 –3,7.(H/hb)2].loghb + (43,42 – 3,1.loghb).logd + 20logf + exp[13(logf – 3,23)]
Trong đó:
Lp : suy hao [dB] W : bề rộng của đường tại điểm thu ( 5÷50 m ) φ : góc giữa trục của đường với đường thẳng từ anten trạm gốc đến máy di động hs : độ cao của tòa nhà có đặt anten trạm gốc phía điểm thu (5÷80 m)
<H> : độ cao trung bình của các toà nhà xung quanh điểm thu (5÷50 m) hb : độ cao của anten trạm gốc tại điểm thu (20÷100 m)
H : độ cao trung bình của các tòa nhà xung quanh trạm gốc (H > hb) d : khoảng cách giữa trạm gốc và điểm thu (0,5÷10 km)
f : tần số hoạt động (450÷2200 MHz)
2.5 Phân tích lưu lượng
2.5.1 Dự báo lưu lượng và chia nhỏ các cell
2.5.1.1 Dự báo lưu lượng
Trong kiến trúc của mạng thì vấn đề về kinh phí cần được xem xét và tính toán cho hợp lý. Vì vậy, một quyết định đầu tư hợp lý phải được dựa trên các dự đoán lưu lượng của mạng lưới trạng thái đầu và cuối. Khi dự đoán lưu lượng của mạng chúng ta phải xem xét các yếu tố sau :
Phân bố dân cư
Thu thập từ các gia đình
Tỉ lệ đăng ký thuê bao
Sự phát triển của nền kinh tế
Chính sách quản lý của thành phố
Chính sách tiêu thụ
Sau khi dự đoán tổng lưu lượng của mạng, ta phải dự đoán được sự phân phối mật độ của các thuê bao. Nói chung các thuê bao trong các thành phố lớn chiếm tỷ lệ lớn các thuê bao dự đoán. Với sự phát triển của cấu trúc mạng thì các thuê bao tại ngoại thành và thị trấn cũng tăng lên cao. Lưu lượng tại thành phố khoảng 0.025Erl và 0.02 Erl tại vùng ngoại thành. Công thức tính toán lưu lượng:
A = (n × T) / 3600
Trong đó n là thời gian cuộc gọi trong giờ bận T là thời gian mỗi cuộc gọi
Trong cách tính toán này thì số lượng các kênh thoại cần thiết cho một trạm gốc có được thông qua dự đoán lưu lượng.
Tuy nhiên trong quá trình dự đoán lưu lượng ta phải xem xét đến các chú ý sau:
Khi tính toán dự đoán số lượng kênh thoại cần thiết cho một trạm gốc trong tương lai ta phải xem xét đến hiệu năng của gây ra bởi sự chia nhỏ các tế bào.
Trong một hệ thống GSM, bạn có thể sử dụng mô hình Erl để tính toán mật độ lưu lượng mạng có thể phục vụ. Việc mất cuộc gọi có thể là 2% hoặc 5% tùy thuộc vào điều kiện thực tế.
Do sự hạn chế về vùng phủ di động và độ rộng của các tần số có sẵn nên ta cần phải quy hoạch vùng phủ trên mỗi cell một cách hợp lý. Nếu chất lượng thoại đã được đảm bảo thì ta phải nâng cấp tỉ lệ các kênh sử dụng càng nhiều càng tốt. Trong các mạng thực tế, nếu chất lượng của mạng đã được đảm bảo ở một mức độ nhất định khi đó sẽ có một số trạm được cấu hình ở mức cao và trạm được cấu hình ở mức thấp tất cả đều tùy thuộc vào điều kiện thực tế để ta lắp đặt bởi ưu điểm và nhược điểm của hai giải pháp khi ta lắp đặt cấu hình cho từng trạm đều được thấy rõ. Đối với việc xây dựng một mạng lưới ta có thể mở rộng dung lượng của mạng hay thông qua việc tăng công suất của trạm gốc. Các chiến lược trong việc mở rộng mạng có thể tính tới như bổ sung các trạm gốc 1800MHz, tăng hiệu năng các sector, thêm các micro cell, hay thêm vùng phủ trong nhà có thể được tính tới khi mở rộng mạng lưới phủ sóng.
2.5.1.2 Phân chia tế bào
Việc chia nhỏ các Cell được sử dụng khá hiệu quả cho việc mở rộng hiệu năng của mạng. Một trạm gốc có thể chia thành nhiều khu vực phủ sóng, rồi mỗi khu vực lại chia thành nhiều cells khác nhau. Nói cách khác ta phải quy hoạch bán kính phủ của các cells một cách phù hợp với lưu lượng sử dụng của vùng đó. Việc chia nhỏ tế bào cũng dấn đến tốn kém về kinh phí nên công việc chia nhỏ tế bào cell không phải chỗ nào cũng là giải pháp phù hợp mà ta muốn thực hiện giải pháp này phải tuân theo các yếu tố sau:
Theo quy tắc và sơ đồ của việc tái sử dụng tần số.
Các trạm gốc BS ban đầu vẫn đang hoạt động tốt.
Các cell chuyển tiếp phải được hạn chế hoặc tránh.
Việc chia nhỏ cell là khá quan trọng trong mạng lưới vô tuyến GSM. Khi một cell bị nghẽn thì việc chia nhỏ cell sẽ được thực hiện. Thông qua việc thiết lập các tế bào mới với bán kính nhỏ hơn cell ban đầu và vị trí của các cell mới nằm trong các cell ban đầu. Như vậy ta có thể tăng số kênh sử dụng trong một đơn vị diện tích trong
khu vực có các tế bào được chia và ta có thể tăng thời gian tái sử dụng kênh. Trong trường hợp này hiệu năng của hệ thống đã được mở rộng. Thông qua với việc điều chỉnh các tham số trên Anten, hay công suất phát ta có thể thu hẹp lại diện tích phủ sóng.
Hình 2.2 Phân chia tế bào 1-4
Các cell nhỏ mới được thêm vào mà không thay đổi chế độ tái sử dụng tần số. Như ví dụ trên khi ta chia nhỏ một cell gốc thành 4 cells nhỏ và gọi R là bán kính của cell gốc thì 4 cell mới có bán kính là R/2. Ta có thể điều chỉnh công suất phát và kiểm tra công suất thu ở vùng biên của các cell mới. Gọi “Pr” là công suất thu. Ta cũng phải đảm bảo rằng các tần số tái sử dụng trong các cell mới cũng phải giống như các tần số cũ của tế bào gốc. Khi đó ta có công thức sau:
Công suất thu tại biên của cell gốc:
Pr= Pt1R-n
Công suất thu tại biên của cell mới:
Pr = Pt2 (R/2)-n
Trong đó Pt1 là công suất phát của trạm gốc của cell gốc, và Pt2 là công suất phát của trạm gốc với cell mới. Trong trường hợp khi n=4 thì công suất thu của cell gốc và cell mới là bằng nhau và có thể tính theo công thức sau:
Pt2 = Pt1/16
Qua đó cho ta thấy rằng khi ta dùng các micro cells để bao phủ chính vùng phủ gốc và yêu cầu tỉ số C/I được đáp ứng, công suất truyền tải giảm đi được 12 dB. Tuy nhiên, trong thực tế không phải tất cả các cell đều cần được chia. Bởi vì công việc
chia nhỏ các cell cũng được thực hiện không phải đơn giản mà còn tùy thuộc vào từng vị trí hoàn cảnh cụ thể. Và việc đảm bảo duy trì các tần số tái sử dụng giữa các cell sẽ trở nên phức tạp hơn. Thêm vào đó ta phải mua thêm Anten để thực hiện chuyển giao bởi vì để đảm bảo quá trình chuyển giao thành công giữa tất cả các thuê bao cũng như đảm bảo được chất lượng tốt bất kể tốc độ di chuyển. Các kênh trong cell gốc có thể được chia thành hai nhóm sau:
+ Một nhóm yêu cầu tái sử dụng các cell nhỏ được áp dụng cho các thuê bao ổn định vị trí và có mức di chuyển chậm.
+ Một nhóm yêu cầu trong các cells lớn hơn và được áp dụng cho các thuê bao có mức di chuyển nhanh và đòi hỏi yêu cầu chuyển giao ít. Công suất của hai nhóm kênh quyết định đến quá trình phân chia cell. Trong giai đoạn đầu của việc phân chia cell thì các kênh trong nhóm có công suất thấp sẽ ít hơn. Khi yêu cầu các dịch vụ cũng như ứng dụng thực tế đòi hỏi nhiều hơn khi đó các kênh cần được sử dụng cũng nhiều hơn và nhiều kênh trong nhóm công suất thấp cần thiết.
2.5.2 Phân bố kênh thoại
2.5.2.1 Quyết định số kênh thoại
Hiệu năng của trạm gốc phải được xem xét với số lượng các kênh để cấu hình cho trạm gốc đó hay một Cell . Tính toán đến hiệu năng của một trạm tức là ta phải tín toán đến số lượng kênh thoại và số lượng kênh điều khiển trên một trạm đó sao cho hợp lý nhất để đảm bảo được chất lượng phủ sóng của khu vực đó.
Thông qua các thông tin tại các trạm gốc và của Cell cộng với mật độ phân phối của các thuê bao. Ta có thể tính toán được tổng số thuê bao. Sau khi có được tỉ lệ kênh rớt cuộc gọi và lưu lượng ta có thể kiểm tra được cấu hình số lượng kênh thoại thông qua bảng Erl B. Thông thường ta có thể quyết định số lượng kênh thoại như sau:
Thông qua băng thông và các mô hình tái sử dụng cho mạng GSM ngày nay bên trong các vùng đã được quy hoạch ta có thể có được số lượng sóng mang tối đa có thể cấu hình cho một trạm gốc.
Mỗi sóng mang có 8 kênh. Như vậy, ta có thể có được số kênh thoại tối đa thông qua việc giảm các kênh điều khiển trong tổng số 8 kênh đó.
Thông qua số lượng kênh thoại và tỉ lệ rớt cuộc gọi( thường là 2% với các khu vực có lưu lượng dày, và 5% cho các khu vực khác) và ta có thể có được số lưu lượng tối đa để các trạm gốc có thể phục vụ thông qua bảng Erl B.
Thông qua số Erl trung bình trong giờ bận của các thuê bao ta có thể tính toán được số lượng các thuê bao tối đa để bố trí các trạm gốc phù hợp nhất.
Thông qua dữ liệu của mật độ thuê bao, ta có thể có được diện tích vùng phủ của trạm gốc. Ta phải xem xét đến tỉ số roaming, sự phát triển của các dịch vụ, cũng như sự cạnh tranh và sự phát triển của nền kinh tế.
Để cấu hình một trạm gốc, ta phải xem xét đến truyền tải của giao diện Abis so với hiệu năng có thể đáp ứng.
Dự phòng một vài sóng mang, micro cell, các trạm gốc nhỏ cho các vùng phủ mới và tối ưu trong tương lai. Trong một vài vùng đặc biệt, ta có thể phải xem xét đến hướng của Anten, các cell theo mọi hướng . Trong việc điều khiển lưu lượng ta còn phải sử dụng các thuật toán trong các lớp mạng.
2.5.2.2 Mối quan hệ giữa số sóng mang và lưu lượng có thể đáp ứng
Để thể hiện được mối liên hệ giữa lưu lượng của mạng và sóng mang ta có thể được xem xét chỉ rõ trong bảng dưới đây.
Bảng 2.11 Mối liên hệ sóng mang và lưu lượng
Số sóng mang trong cell
Số kênh TCHs
Lưu lượng (Erl)
– – 2% 5% 1 6 2.27 2.96 2 14 8.2 9.73 3 21 14.03 16.18 4 29 21.03 23.82 5 36 27.33 30.65 6 44 34.68 38.55 7 52 42.1 46.53 8 59 48.7 53.55 9 67 56.25 61.63 10 75 63.9 69.73
Theo bảng trên thì số lượng sóng mang tỉ lệ thuận với tỉ lệ rớt cuộc gọi. Dựa vào những đánh giá trên ta sẽ sử dụng được các kênh một cách hợp lý cho chất lượng mạng được đảm bảo. Các tần số được sử dụng trong băng thông đòi hỏi ta phải quy hoạch một cách hợp lý để có được các chỉ số KPI tốt cho cell. Nếu chất lượng thoại tốt được đảm bảo, ta phải đo kiểm để nâng cao tỉ lệ các kênh sử dụng . Trong các ứng dụng thực tế, khi tổng lưu lượng trong mỗi kênh TCH chiếm 80-90% trong tổng số lưu lượng( tỉ lệ rớt cuộc gọi là 2% ) tỉ lệ nghẽn trong cell tăng lên . Do đó, chúng ta tính toán thông thường trong một mạng có thể phục vụ là 85%. Vì nếu chúng ta tính toán khả năng phục vụ 100% khi thuê bao tăng lên đột ngột ta sẽ không có lưu lượng dự phòng để đáp ứng được. Như số liệu trong bảng Erl chỉ như là một tài liệu để tham khảo.
Ví dụ Để tính hiệu năng của một mạng nội hạt cần được mở rộng. Cùng với sự phát triển của nền kinh tế và dân số dấn đến số thuê bao gia tăng nên dự tính sẽ có thêm 100 000 thuê bao trong 2 năm. Nếu chỉ theo xem xét các vấn đề sau:
Yếu tố chuyển vùng roaming = 10%
Yếu tố di động ( sự di chuyển chậm trong mạng nội hạt thay vì chuyển vùng ) =10%
Yếu tố động ( sự bùng nổ lưu lượng được xem xét ) =15%
Hiệu năng của mạng = 100000 x (1 + 10% + 10% + 15%) = 135,000. Thực tế có nghẽn nên ta phải tính toán cung cấp hiệu năng mới cho 135 000/85% =160 000 thuê bao. Như vậy, trong quá trình xây dựng lắp đặt cho mạng ta phải tính toán hiệu năng có thể cung cấp cho 160 000 thuê bao.
2.5.3 Phân bổ các kênh điều khiểnSDCCH
SHCCH là một kênh quan trọng trong mạng GSM. Tất cả các quá trình hoạt động, cập nhật vị trí, tách và đính kèm, thiết lập cuộc gọi, bản tin ngắn …đều được thực hiện trên kênh SDCCH. SDCCH được sử dụng cho truyền tải báo hiệu và dữ liệu Dưới đây là bảng miêu tả nguyên tắc cấu hình SDCCH:
Bảng 2.12 Cấu hình kênh SDCCH
Không có kênh quảng bá trên cell (CBCH) Số
TRX
Cell thường Cell trong Cell biên 1 SDCCH/4 SDCCH/4 SDCCH/4 2 SDCCH/8 SDCCH/8 SDCCH/8 3 SDCCH/4+SDCCH/8 SDCCH/4+SDCCH/8 SDCCH/4+SDCCH/8 4 2*SDCCH/8 SDCCH/4+SDCCH/8 2*SDCCH/8 5 2*SDCCH/8 2*SDCCH/8 2*SDCCH/8 6 SDCCH/4+2*SDCCH/8 2*SDCCH/8 SDCCH/4+2*SDCCH/8 7 SDCCH/4+2*SDCCH/8 SDCCH/4+2*SDCCH/8 3*SDCCH/8