Chương 4 Triển khai hệ thống UMTS
4.1 Nguyên lý cơ bản
4.1.1 Quy hoạch mạng vô tuyến
Bản chất việc quy hoạch mạng vô tuyến bao gồm: định kích cỡ, quy hoạch lưu lượng và vùng phủ sóng, tối ưu hóa mạng. Quá trình quy hoạch mạng vô tuyến bao gồm các bước như hình 4.2
Giai đoạn định kích cỡ sẽ đưa ra dự tính số trạm thu phát, cấu hình trạm thu phát, số trạm RNC và các thành phần vô tuyến khác trên cơ sở yêu cầu của nhà khai thác và truyền sóng trong vùng. Định cỡ phải thực hiện được các yêu cầu của nhà khai thác về vùng phủ, dung lượng và chất lượng dịch vụ. Dung lượng và vùng phủ có quan hệ chặt chẽ với nhau trong mạng di động vì thế phải được xem xét đồng thời khi định cỡ mạng.
Hình 4.4 Quy hoạch mạng UMTS
Để tính toán suy hao đường truyền, người ta lập các mô hình truyền sóng khác nhau. Do đặc điểm truyền sóng không ổn định nên các mô hình này đều mang tính thực nghiệm. Mô hình được sử dụng rộng rãi nhất là Hata-Okumura và Walfisch-Ikegami.
Mô hình Hata-Okumura rất phổ biến và trên thực tế hầu hết các mô hình khác đều sử dụng một dạng biến đổi của nó. Nó là quan hệ thực nghiệm được rút ra từ các báo cáo cho phép sử dụng các kết quả vào các công cụ tính toán.
Báo cáo của Okumura bao gồm một chuỗi các lưu đồ được sử dụng để lập mô hình truyền sóng vô tuyến. Mô hình này không xét đến mội hiệu chỉnh cho đường truyền cụ thể và có xu hướng trung bình hóa. Tuy nhiên nó rất có tác dụng trong yêu cầu đánh giá thiết kế lớn, đặc biệt khi chọn đúng môi trường.
Mô hình Walfisch-Ikegami thường được sử dụng để đánh giá tổn hao đường truyền ở môi trường thành phố cho hệ thống thông tin di động. Nó là sự kết hợp giữa mô hình thực nghiệm và xác định để đánh giá tổn hao đường truyền ở thành phố dải tần 800 – 2000 MHz.
Vì ITU IMT-2000 là tiêu chuẩn toàn thê giới, nên các mô hình được đề xuất để đánh giá các công nghệ truyền dẫn sẽ xét nhiều đặc tính môi trường gồm các thành phố lớn, nhỏ, ngoại ô, vùng nhiệt đới, vùng nông thôn và các vùng sa mạc. Các thông số chính của môi trường là:
• Trễ truyền lan, cấu trúc của nó và các biến thiên có thể.
• Quy tắc tổn hao địa lý và tổn hao đường truyền bổ sung.
• Pha đinh che khuất.
• Các đặc tính pha đinh nhiều đường.
• Tần số vô tuyến làm việc.
Mô hình trong nhà
Mô hình này được đặc trưng bởi các ô nhỏ và công suất phát thấp. Trễ truyền lan trung bình nằm trong dải từ 35 đến 460 ns. Trong nhà có sự phân tán và suy hao do tường và các cấu trúc kim loại, đồng thời các vật này cũng gây ra ảnh hưởng che khuất. Mô hình tổn hao cho môi trường này là:
( )( )
[ 2 1 0.46]
3 . 18 lg
30
37+ + + + −
= F F
p R F
L [dB]
trong đó: R là khoảng cách giữa máy phát và máy thu, F là số tầng trên đường truyền.
Môi trường giữa trong và ngoài và vỉa hè
Môi trường này cũng được đặc trưng bởi các ô nhỏ và công suất phát thấp. Các trạm gốc với antenna thấp đặt ngoài trời. Trễ trung bình quân phương thay đổi từ 100 đến 1800 ns. Mô hình tổn hao được tính theo công thức:
49 lg
30 lg
40 + +
= c
p R f
L [dB]
Mô hình này chỉ đúng cho trường hợp không theo tầm nhìn thẳng.
Mô hình xe cộ
Môi trường này gồm các ô lớn và công suất phát cao. Trễ trung bình quân phương từ 0.4 đến 12 ms. Tổn hao cho môi trường này được tính như sau:
(1 4.10 )lg (10lg ) 21lg 80
40 − 2∆ − ∆ + +
= − b b c
p h R h f
L [dB]
trong đó: R là khoảng cách giữa trạm thu phát và di động fc là tần số sóng mang [MHz]
hb
∆ là độ cao của antenna trạm thu phát so với độ cao trung bình của mái nhà.
Quá trình quan trọng nhất trong phần quy hoạch mạng vô tuyến làviệc định kích cỡ mạng. Định kích cỡ một mạng thông tin di động là một quá trình mà thông qua đó ta có thể ước tính được các cấu hình có thể có và số lượng các thiết bị trên cơ sở yêu cầu của nhà khai thác liên quan đến các vấn đề như:
• Vùng phủ sóng: Khu vực phủ sóng, thông tin kiểu vùng, các điều kiện truyền sóng.
• Dung lượng: Dải tần sử dụng, dự báo phát triển thuê bao, thông tin về mật độ lưu lượng.
• Chất lượng dịch vụ: Xác suất phủ, chất lượng, thông tin của người dung đầu cuối.
Ba tham số trên có mối quan hệ mật thiết và không thể đạt giá trị cực đại cùng một lúc. Phụ thuộc vào yêu cầu quy hoạch mạng UMTS cụ thể, người ta coi một tham số có độ ưu tiên cao hơn các tham số khác (ví dụ dung lượng cao có thể làm giảm kích thước vùng phủ sóng và chất lượng dịch vụ). Do vậy cả ba tham số này cần được đề cập cùng một lúc trong quá trình qui hoạch mạng.
Trong các mạng thông tin di động 2G, tải của đường lên và đường xuống có thể coi là cân bằng nhau vì chủ yếu phục vụ dịch vụ thoại hai chiều, trong khi đó trong mạng UMTS là không đối xứng do UMTS được xây dựng để phục vụ tốt các dịch vụ thông tin đa phương tiện và cung cấp các dịch vụ không đỗi
xứng. Do vậy ta phải phân tích cả đường lên và đường xuống. Trên thực tế, phần lớn các trường hợp thì đường lên quyết định kích thước vùng phủ sóng còn đường xuống sẽ giới hạn lưu lượng của mạng.
Như phần trên đã phân tích việc xác định kích thước mạng phụ thuộc vào nhiều tham số đầu vào, trong đó cần kể đến việc xác định mô hình truyền sóng, các tham số đặc trưng cho hệ thống UMTS … Các tham số liên quan tới quá trình truyền sóng bao gồm môi trường truyền sóng như trong nhà, thành thị, nông thôn …, mô hình suy hao như đã trình bày ở phần trên cùng với các tham số như tần số, độ tăng ích của antenna …
Tuy nhiên có một số tham số quan trọng dặc thù cho công nghệ WCDMA mà không có ở các hệ thống truy nhập vô tuyến trên cơ sở TDMA như GSM. Khi tính toán đến quỹ công suất đường truyền theo các mô hình truyền sóng cần tính thêm các thông số quan trọng sau:
• Dự trữ nhiễu: được tính bằng độ tăng tạp âm so với tạp âm nhiệt do tác động của các thuê bao khác gây ra tại đầu thu của nút B. Nếu tải cho phép lớn thì càng cần nhiều dự trữ ở đường lên và vùng phủ sóng càng nhỏ. Thông thường dự trữ nhiễu ở các trường hợp giới hạn trong khoảng 1 6 dB và tải của mỗi tần số không vượt quá - 75% để bảo đảm mạng hoạt động ổn định.
• Độ lợi chuyển giao mềm: Chuyển giao mềm là đặc thù của công nghệ CDMA, trong quá trình chuyển giao, các kết nối đã được thực hiện trước. Độ lợi chuyển giao mềm có tác dụng chống lại pha đinh. Tổng độ lợi chuyển giao mềm thường được tính bằng 3 dB.
• Dự trữ pha đinh nhanh: Cần có một lượng dự trữ pha đinh nhanh ở đầu phát di động để duy trì điều khiền công suất nhanh vì có
trường hợp các thuật toán điều khiển công suất không đủ nhanh so với sự thay đổi của tính chất kênh truyền dẫn. Giá trị điển hình của dự trữ pha đinh nhanh là 2-5 dB.
Giai đoạn tiếp theo của việc định kích cỡ mạng là dự tính khối lưu lượng có thể phục vụ bởi trạm thu phát. Như đã phân tích ở trên, việc xác định lưu lượng cho hệ thống UMTS phải được tính cho cả đường lên và đường xuống.
Dung lượng đường lên
Dung lượng đường lên của mạng được tính theo số thuê bao hay số Erlang mà mạng có thể hỗ trợ. Thông thường nó thường được đánh giá qua hệ số tải đường lên
( )
( )
∑
= +
+
=
N
i
i i b
i UL
N E
1 PG / 0
1 1 1
υ β
η
trong đó: ηUL là hệ số tải đường lên N là số người sử dụng trong ô PGi là độ lợi xử lý của thuê bao i
β là tỷ số nhiễu giữa ô lân cận đến ô phục vụ υi là hệ số tích cực thoại của thuê bao i.
/ N0
Eb là tỷ số năng lượng một bit với mật độ phổ công suất tạp âm cần thiết để đáp ứng tỷ số lỗi bit cho trước. Ở đây, yếu tố tạp âm nhiệt và nhiễu cũng được quy đổi và tính đến.
Như vậy số lượng thuê bao cực đại về mặt lý thuyết sẽ đạt được khi ηUL = 1. Nếu giả thiết tất cả các thuê bao đều dùng dịch vụ thoại tốc độ bit thấp thì PG sẽ rất lớn so với 1 và ta có:
( )υ + β
= 1
1 1 /N0 E N PG
b
Giá trị N từ phương trình trên là dung lượng cực bởi nó đặc trưng cho dung lượng lớn nhất mà hệ thống WCDMA có thể cung cấp về mặt lý thuyết.
Từ công thức trên, chúng ta có thể nhận thấy rằng, dung lượng của hệ thống sẽ tăng nếu:
• Giảm hệ số Eb/ N0.
• Giảm hệ số tích cực của thuê bao hay thời gian có thoại thực trong cuộc đàm thoại.
• Tăng độ lợi xử lý hay giảm tốc độ dữ liệu.
• Điều khiển công suất chính xác để giảm nhiễu từ các ô lân cận.
Dung lượng đường xuống
Ta có thể xác định hệ số tải đường xuống bằng công thức sau:
( ) [ ( ) ]
∑
=
+
−
=
N i
i i i
b i
DL PG
N E
1
0 1
/ α β
υ η
trong đó αi là hệ số trực giao đường xuống còn các tham số khác giống như ở đường lên.
Mục đích của xác định kích cỡ đường xuống cũng là xác định bán kính vùng phủ sóng để đảm bảo được tập hợp các yêu cầu đường xuống như diện tích vùng phủ, xác suất mất vùng phủ sóng hay tỷ lệ chặn cuộc gọi. Tuy nhiên quá trình này không phải nhằm mục đích đưa ra dự đoán về kích thước mạng dựa trên các thông số cầu hình đầu vào giúp ta lựa chọn cấu hình tối ưu để đáp ứng yêu cầu của nhà khai thác mạng.
Trong hệ thống UMTS thì kích thước vùng phủ sóng thay đổi phụ vào tải của ô. Khi số thuê bao tăng thì kích thước vùng phục vụ sẽ giảm và ngược lại.
Điều này rất quan trọng trong quá trình xác định kích cỡ mạng. Trong trường
hợp tải của ô không cao thì đường lên giới hạn kích thước của vùng phủ và lưu lượng do công suất phát của UE nhỏ hơn rất nhiều so với của nút B. Ngược lại, khi tải trong mạng cao thì đường xuống có thể là thông số giới hạn kích thước vùng phủ do nhiễu đường xuống cao hơn đường lên, điều này gây ra bởi các dịch vụ không đối xứng.
Ngoài ra, như đã đề cập ở trên, các công thức tính tải đường lên và đường xuống đều phụ thuộc vào độ lợi xử lý hay nói cách khác là phụ thuộc vào tốc độ bit. Nói chung, khi tốc độ bit của dịch vụ yêu cầu cao thì tải của vùng phủ sóng giảm. Đồng thời các dịch vụ tốc độ cao cũng gây ra nhiễu cao hơn do sử dụng các chuỗi mã định kênh ngắn hơn. Việc quy hoạch mạng vô tuyến đều phải tính đến cả ba yếu tố vùng phủ sóng, dung lượng và dịch vụ. Điều này phụ thuộc vào chiến lược phát triển của nhà cung cấp dịch vụ.