Thiết kế đường truyền vô tuyến

Đối với mọi hệ thống thông tin vô tuyến, bước quan trọng đầu tiên là thiết kế đường truyền vô tuyến. Điều này cần thiết để xác định mật độ trạm gốc ở các môi trường khác nhau cũng như vùng phủ tương ứng. Đối với hệ thống thông tin di động cần cung cấp dịch vụ chất lượng tốt trong nhà và ngoài trời, cần kết hợp tính mềm dẻo và linh hoạt trong thiết kế. Công suất phát của các máy cầm tay sẽ là yếu tố quyết định cho một hệ thống CDMA với công suất đường lên/ đường xuống.

Mặc dù có hệ số khuyếch đại anten không ảnh hưởng quá trình cân bằng quỷ đường truyền, nhưng nó là một nhân tố quan trọng khi thiết kế quỹ công suất cho vùng phủ. Từ quan điểm của người sử dụng, mạng tổ ong/PCS phải hàm ý rằng có một hạn chế nhỏ cho việc phát hay thu cuộc gọi trong nhà hay ô tô. Một hệ thống phải được thiết kế để anten của máy cầm tay có thể đặt ở vị trí không tối ưu. Ngoài ra thậm chí có thể không cần rút anten khi thu hoặc phát cuộc gọi. ở các thiết kế hệ thống thông thường hệ số khuyếch đại anten được coi bằng 0 dBi. Tuy nhiên để anten máy cầm tay có thể đặt ở vị trí không được tối ưu lắm, cần sử dụng hệ số khuyếch đại hợp lý hơn :

-3dBi. Trong thực tế do đặt anten ở vị trí bất kỳ hay với anten thụt vào trong máy cầm tay nên có thể cho phép hệ số –6 đến –8dBi phụ thuộc vào từng máy cầm tay và thiết kế vỏ máy.

3.6 Ước tính thông số ô

Số người sử dụng và tải lưu lượng phục vụ trên người sử dụng được sử dụng để xác định tổng tải lưu lượng. Biết dung lượng ô và phủ sóng của ô, có thể thực hiện đánh giá số ô.

Dung lượng ô được xác định bằng các mô phỏng và các công thức giải tích. Tốc độ thông tin của người sử dụng, các yêu cấu chất lượng phục vụ, QoS ( trễ, BER/FER) và xác xuất ngừng là các yếu tố quan trọng để xác định dung lượng hệ thống.

Quỹ đường truyền được sử dụng để xác định vùng phủ cực đại của ô. Ngoài Eb/It các yếu tố đặc thù thiết bị như tổn hao cáp, hệ số khuyếch đại anten và hệ số tạp âm máy thu cũng là các yếu tố cần thiết để tính toán quỹ đường truyền.

Độ lợi chuyển giao mềm có ảnh hưởng lớn lên quỹ đường truyền. Độ lợi chuyển giao mềm phụ thuộc vào tương quan che tối và xác xuất phủ sóng. Chuyển giao mềm đảm bảo độ lợi phân tập vĩ mô nhờ tăng khả năng phân tập. Độ lợi thực tế phụ thuộc vào môi trường vô tuyến và số ngón của máy thu RAKE. Vì mỗi môi trường vô tuyến có đặc tính riêng, nên để dự báo vùng phủ sóng chi tiết, cần có một số thừa số hiệu chỉnh cho các mô hình tổn hao đường truyền.

Đối với đường lên, ảnh hưởng của thừa số tải r lên quỹ đường truyền với dự trữ nhiễu Im(dB) có thể xác dịnh từ biểu thức:

Vì dự trữ nhiễu tăng cùng với r nên vùng phủ của ô sẽ giảm cùng với sự tăng của thừa số tải. Khi tính toán quỹ năng lượng đường truyền cần tính tải lưu lượng không đối xứng. CDMA có thể giảm dung lượng đường lên để được vùng phủ.

Sau khi nhận được các thông số ô cần bắt đầu quy hoạch chi tiết mạng vô tuyến số bằng cách xét đến môi trường chính xác nơi sẽ đặt ô. Do giá thành các đài trạm, các yêu cầu phân vùng, các hạn chế của toà nhà và các lý do khác, có thể không đạt được các đài trạm tối ưu trong mạng thực tế. Điều này có thể ảnh hưởng đến kế hoạch phủ sóng ban đầu. Để quy hoạch mạng chi tiết, cần sử dụng công cụ phần mềm quy hoạch mạng. Phần mềm quy hoạch mạng có bản đồ dân số của vùng định quy hoạch. Chiều cao các toà nhà và búp sóng anten cũng được mô hình hoá. Quá trình tối ưu vùng phủ mạng vô tuyến bao gồm:

• Mô tả chi tiết môi trường vô tuyến.

• Quy hoạch công suất kênh điều khiển.

• Quy hoạch các thông số chuyển giao mềm.

• Quy hoạch chuyển giao giữa các tần số.

• Phân tích vùng phủ mạng lặp nhiều lần.

• Đo kiểm mạng.

3.7. Quy hoạch phủ sóng

Mục tiêu thiết kế quan trọng nhất của mạng tổ ong/PCS là đảm bảo vùng phủ sóng vô tuyến hầu hết mọi nơi. Một trong vấn đề quan trọng cần xem xét trong quá trình quy hoạch vùng phủ là mô hình truyền sóng. Độ chính xác của việc dự đoán bằng một mô hình nhất định phụ thuộc vào khả năng

của mô hình này thể hiện được cụ thể mặt đất, cây cối và các toà nhà. Độ chính xác này có tầm quan trọng sống còn để xác định tổn hao đường truyền và từ đó kích thước ô, yêu cầu hạ tầng của mạng tổ ong/PCS. Đánh giá thái quá dẫn đến sử dụng không hiệu quả các tài nguyên mạng, còn đánh giá thấp dẫn đến phủ vô tuyến kém. Thông thường các mô hình truyền sóng có xu hướng quá đơn giản hoá các điều kiện truyền sóng thực tế và có thể thiếu chính xác ở điều kiện thành phố phức tạp. Các mô hình truyền sóng thực nghiệm chỉ có tính chất hướng dẫn chung mà thôi, chúng quá bị đơn giản hoá cho một thiết kế chính xác. Để có được thông tin về vùng phủ sóng vô tuyến trong môi trường thành phố cần thực hiện các phép đo hiện trường chính xác. Các số liệu đo phải sử dụng hoặc trực tiếp trong quá trình quy hoạch để đạt được tính khả thi của từng trạm hoặc gián tiếp để hiệu chỉnh các hệ số của mô hình truyền sóng thực nghiệm nhằm thể hiện đặc trưng môi trường cụ thể tốt hơn.

Truyền sóng ở môi trường thành phố bị hiện tượng che tối. Để đảm bảo rằng 90% diện tích ô bằng hoặc lớn hơn ngưỡng quy định, cần đưa vào quỹ đường truyền dự trữ pha đinh che tối ( phụ thuộc vào lệch tiêu chuẩn của mức tín hiệu ). Đối với môi trường thành phố điển hình, cần sử dụng dự trữ pha đanh che tối bằng 8-9dB trên cơ sở coi rằng tổn hao đường truyền tuân theo hàm mũ 2-5 đảo, nghĩa là tổn hao đường truyền tỷ lệ nghịch khi khoảng cách tăng theo mũ 2-5. Giá trị công suất phụ thuộc vào các đặc trưng truyền sóng.

Một nhân tố quan trọng khác ảnh hưởng lên vùng phủ vô tuyến là tổn hao thâm nhập sóng vào toà nhà và ô tô. Nếu vùng phủ phần ngoài toà nhà đủ, thì cần coi rằng tổn hao thâm nhập là 10-15dB. Tuy nhiên để đảm bảo khởi xướng và thu cuộc gọi ở giữa các toà nhà cần sử dụng tổn hao thâm

nhập 30dB. Tương tự đối với phủ sóng trong ô tô tổn hao thâm nhập cũng rất quan trọng. Ô tô con sẽ bị tổn hao thâm nhập 3-6dB, trong khi đó các xe tải, xe Bus có tổn hao này lớn hơn. Tổn hao thâm nhập ở đầu xe tải không lớn hơn ở xe con nhưng tổn hao phía sau có thể tới 10-12dB phụ thuộc vào không gian cửa sổ. Như vậy đối với các mục đích thiết kế, cần cho phép tổn hao thâm nhập cao để đảm bảo chất lượng phục vụ tốt. Đối với môi trường thành phố, tổn hao thâm nhập toà nhà là nhân tố quan trọng nhất, vì thế thâm nhập ô tô sẽ đủ.

Các mô hình truyền sóng được sử dụng để xác định số lượng BS cần để đảm bảo các yêu cầu phủ sóng cho mạng. Thiết kế ban đầu thường được thực hiện cho vùng phủ. Phát triển tiếp theo của thiết kế mạng là tính toán dung lượng. Một số hệ thống có thể cần khởi đầu với vùng phủ rộng và dung lượng cao, nên có thể khởi đầu giai đoạn phát triển sau.

Yêu cầu vùng phủ đi cùng với các yêu cầu về tải lưu lượng, chúng dựa trên mô hình truyền sóng được chọn để xác định phân bố lưu lượng hay chuyển tải từ một BS sang các BS khác trong chương trình giảm nhẹ dung lượng. Mô hình truyền sóng hỗ trợ việc xác định vị trí đặt các BS để đạt được vị trí tối ưu trong mạng. Nếu mô hình truyền sóng được sử dụng không hiệu quả để hỗ trợ cho việc đặt trạm đúng, thì xác xuất triển khai sai BS trong mạng sẽ cao.

Chất lượng của mạng bị tác động của mô hình truyền sóng được chọn, vì mô hình này được chọn để dự đoán nhiễu. Thí dụ, nếu mô hình truyền sóng không chính xác 6dB và nếu coi rằng yêu cầu thiết kế Eb/N0 =7dB, thì E0/N0 có thể là 13dB hoặc 1dB. Theo tình trạng tải lưu lượng thì thiết kế

mức Eb/N0 cao có thể ảnh hưởng xấu đến khả thi tài chính. Ngược lại việc thiết kế mức Eb/N0 thấp sẽ làm cho giảm chất lượng dịch vụ.

Mô hình truyền sóng cũng được sử dụng ở các khía cạnh hoạt động khác của hệ thống như: tối ưu hoá chuyển giao, điều chỉnh mức công suất và định vị anten. Mặc dù không có mô hình truyền sóng nào thể hiện được tất cả nhiễu xẫy ra ở môi trường thực tế, nhưng việc sử dụng một hoặc nhiều mô hình truyền sóng để xác định tổn hao đường truyền là điều cần thiết. Mỗi mô hình được sử dụng đều có ưu khuyết. Chỉ có sự hiểu biết tốt nhất các hạn chế của mô hình mới có thể đạt được thiết kế vô tuyến tốt.

CHƯƠNG 4 CẤU TRÚC MẠNG

Một mạng không dây 3G có khả năng cung cấp các dịch vụ thoại chuyển mạch kênh, dịch vụ dữ liệu chuyển mạch kênh và dịch vụ dữ liệu chuyển mạch gói.

Hình 4.1 Một mạng không dây 3G điển hình

MS : Mobile station

BTS : Base Transceiver Controller BSC : Base Station Controller MSC : Mobile Switching Center HLR : Home Location Register VLR : Visit Location Register AC : Authentication center IWF : Interwworking function

PDSN : Packet data serving node

AAA : Authentication authorization accounting.

4.1 Thành phần mạng

- BSC : Có chức năng hỗ trợ quản lí di động , chuyển đổi mã, điều khiển lưu lượng chuyển mạch thoại/ dữ liệu và điiều khiển lưu lượng chuyển mạch gói dữ liệu tới SDN.

- MSC : Chuyển mạch lưu lượng người sử dụng giữa MS và mạng điện thoại công cộng ( PSTN ) và giữa các MSC.

- HLR : Lưu trữ cơ sơ dữ liệu thông tin thuê bao.

- VLR : cơ sở dữ liệu thông tin của các thuê bao “tích cực” thuộc một MSC.

- AC : Nhận thực người sử dụng trước khi cung cấp dịch vụ

- PDSN : PDSN là thành phần thực hiện dịch vụ chuyển mạch gói dữ liệu. Bản chất của nó là một bộ định tuyến ( router ) IP ( Internet protocol) có nhiệm vụ định tuyến lưu lượng dữ liệu người dùng tới một mạng gói dữ liệu công cộng ( internet ).

- AAA : Là một server cung cấp các dịch vụ nhận thực, cấp phép và tính cước cho PDSN.

4.1 Các giao thức

Mạng không dây 3G đưa ra các giao diện giữa các thành phần mạng cung cấp chuyển mạch gói dữ liệu. Định nghĩa của các giao diện này được chi phối bởi một số chuẩn:

- IS-2000 : Chuẩn chi phối giao diện không gian giữa MS và BSC trong mạng không dây 3G.

- IS – 2001 : là một phiên bản 3G được định nghĩa là giao diện giữa BSC và MSC hay BSC với PDSN

- IS- 41 : Chuẩn này được dùng trong mạng không dây 2G và cũng được sử dụng trong 3G. Nó là giao diện giữa MSC, HLR, VLR và AC cũng như giữa các MSC.

- IS- 707 : Chuẩn xác định giao thức liên kết vô tuyến ( RLP ) được sử dụng để gửi và nhận các gói dữ liệu. RLP là giao thức lớp 2 được thiết kế để sử dụng giao diện không gian.

Hình 4.2 Các lớp giao thức sử dụng trong dịch vụ chuyển mạch gói

Hình sau chỉ ra các gói IP được trao đổi giữa MS và server trên internet diễn ra như thế nào. Một MS có một địa chỉ IP là M, và server trên internet có địa chỉ IP là S. Với 2 địa chỉ đã cho, các gói IP có thể được trao đổi giữa MS và server. Một gói IP đi từ MS tới server có địa chỉ nguồn là M và địa chỉ đích là S, và ngược lại.

Hình 4.3 Các gói IP được trao đổi giữa MS và server

Khi MS rời từ PDSN thường trú tới một PDSN mới thì các gói IP từ MS vẫn tới được server do chuẩn IOS hay IS-2001 có chức năng chuyển giao giữa các BSC hay MSC ( địa chỉ đích của gói IP vẫn là S). Tuy nhiên, gói tin từ server không thể tới được MS do MS không nằm trong vùng thường trú PDSN. Để giả quyết vấn đề này, sử dụng giải pháp

Hình 4.4: Khi MS chuyển tới một PDSN khác, dịch vụ kết nối bị phá vỡ

4.4 Mobile IP

Để hỗ trợ mobile IP, có hai thành phần mạng được dùng :

- home agent ( HA) : Đây là một bộ định tuyến cùng với foreign agent ( FA ) tạo nên chức năng của mobile IP. Theo chiều từ MS, HA là bộ định tuyến nằm trong mạng IP thường trú của MS, mạng IP này được phục vụ bởi PDSN thường trú. Khi MS di chuyển khỏi vùng thường trú của nó, HA sẽ forward các gói tin tới MS. Và do đó, HA phải biết được MS đang trong vùng PDSN nào.

- Foreign agent ( FA ) : Đây là một bộ định tuyến khác cùng với HA cung cấp chức năng IP. FA được đặt vào vị trí của PDSN. Khi MS tạm trú trong một mạng foreign, FA trong mạng này sẽ nhận các gói tin từ HA và chuyển chúng tới MS.

Khi MS ra khỏi vùng thường trú PDSN và tới vùng tạm trú PDSN khác, một gói tin được gửi từ MS sử vẫn tới được server bởi địa chỉ của server vẫn là S. Gói tin sẽ tới mạng IP thường trú của MS và bị HA chặn

lại. HA sau đó sẽ định tuyến lại gói tin và chuyển nó tới FA trong mạng tạm trú của MS. FA sẽ nhận gói tin và định tuyến tới MS.

Hình 4.5 Trong mobile IP, HA chuyển gói tin tới khu vực hiện thời của MS.

Để truyền được gói tin tới đúng vị trí, HA phải biết địa chỉ IP tạm thời của MS trong mạng tạm trú. Địa chỉ tạm thời này là T, hay care of

address , được cấp phát cho MS khi lần đầu tiên tới mạng tạm trú. Trong

thực tế phương pháp IP yêu cầu hai chức năng sau :

o MS đăng kí với FA : Khi MS tới mạng tạm trú, nó cần đăng kí với FA. FA trong mạng tạm trú sẽ cấp phát một địa chỉ tạm thời cho MS.

o FA đăng kí với HA : Sau khi cấp phát địa chỉ tạm thời cho MS, FA cần đăng kí địa chỉ này cho HA, Và do đó, HA biết được cần định tuyến lại cho gói tin.

Các lớp giao thức sử dụng cho mobile IP được trình bày trong hình sau, HA có nhiệm vụ dịnh tuyến các gói tin từ server tới FA trong vùng tạm trú PDSN, và FA chuyển định tuyến gói tin tới MS. Mobile IP được sử dụng giữa MS với PDSN/ FA và giữa PDSN/ FA với HA. Về phía server, nó vẫn giao tiếp sử dụng chuẩn IP và không có gì thay đổi.

Hình 4.6 Các lớp giao thức dùng cho mobile IP

4. 5 Kết luận

Như vậy mạng không dây 3G được xây dựng có các thành phần tương tự như mạng 3G. Ngoài ra, nó còn được bổ sung thêm các thành phần mạng phục vụ cho chuyển mạch gói dữ liệu như PDSN và AAA. Việc bổ sung dịch vụ chuyển mạch gói dữ liệu làm cho mạng 3G trở nên hoàn thiện với

tốc độ truyền dữ liệu cao, dịch vụ mạng đa dạng, có thể truyền tin đa phương tiện…đáp ứng tối đa yêu cầu người sử dụng.

Các giải pháp simple IP và mobile IP cho phép việc trao đổi các gói tin giữa MS và máy chủ trên internet diễn ra hiệu quả và chính xác, mở rộng

Chuyển giao thăm dò truy nhập

Quy hoạch phủ sóng