Chương 2 Truy nhập vô tuyến hệ thống UMTS
2.3 Dung lượng của mạng WCDMA
Như đã đề cập ở phần trên, công nghệ WCDMA phân biệt người dùng qua các mã định kênh riêng biệt, và các mã này hoàn toàn trực giao với nhau để đảm bảo nhiễu giữa các tín hiệu hoàn toàn được loại bỏ. Trên thực tế, quá trình truyền sóng làm giảm tính trực giao của các chuỗi mã. Chính vì thế, số lượng các chuỗi mã được dùng bị giới hạn.
Để tăng dung lượng của mạng, ta có thể tăng số lượng chuỗi mã định kênh. Tuy nhiên, khi tăng số lượng mã sẽ làm giảm tính trực giao của các chuỗi mã và do đó không loại bỏ được hoàn toàn nhiễu. Điều này gây suy giảm chất lượng đàm thoại. Ta có thể sử dụng thêm mã cho đến khi mức nhiễu cao đến một mức nhất định hay chất lượng thông tin yêu cầu không được đảm bảo. Tuy nhiên, ta có thể nhất thời tăng dung lượng mạng ví dụ cho các cuộc gọi khẩn cấp. Chính vì thế mà hệ thống CDMA được coi là suy giảm mềm (soft degradation) về mặt chất lượng. Điều này hoàn toàn khác với hệ thống thứ nhất và thứ hai, dung lượng mạng bị giới hạn hoàn toàn bởi số tần số được sử dụng.
Một cách để giảm nhiễu đó là tăng công suất phát khi đó mức tín hiệu thu được sẽ tốt hơn . Tuy nhiên điều này lại gây một tác dụng là gây nên hiệu ứng gần xa (near far effect). Một thuê bao ở gần trạm thu phát nếu không được đánh giá chính xác giả sử sẽ phát ở mức công suất tối đa. Và vì thế mức tín hiệu thu tại trạm thu phát sẽ lớn hơn các thuê bao khác ở xa vì chúng bị suy giảm trong quá trình truyền sóng.
Nói chúng, việc điều chỉnh công suất phát sao cho tất cả các tín hiệu của đường lên được thu tại trạm thu phát ở cùng một mức là việc rất quan trọng.
Điều này có thể được thực hiện bằng giải thuật điều khiển công suất (power control). Thực tế chứng minh rằng, việc điều khiển công suất tốt sẽ nâng cao dung lượng mạng một cách đáng kể.
Điều khiển công suất quan trọng ở cả đường lên và đường xuống, tất nhiên ta có thê nhận thấy rõ là ở phía đường lên thì quan trọng hơn. Khi đó nhiều thuê bao đồng thời gửi tín hiệu lên cùng một trạm thu phát. Trong trường hợp này thì nhiễu gây ra bởi các thuê bao phụ thuộc vào khoảng cách tới trạm thu phát. Đối với đường xuống thì điều khiển công suất ít quan trọng hơn. Khi này thì chỉ có trạm thu phát phát tín hiệu của tất cả các thuê bao liên tục xuống.
Do các lý do trên, dung lượng mạng WCDMA cần được xây dựng dựa trên việc đánh giá mức nhiễu rất chính xác. Thông số C/I (carrier / interference) được sử dụng trong cả hệ thống để đánh giá dung lượng của mạng.
2.3.1 Dung lượng đường lên
Giả sử ta xét đến một cell với viẹc điều khiển công suất chính xác, tức là tại trạm thu phát, tín hiệu thu được từ mọi thuê bao đều bằng nhau. Nếu có N thuê bao trong cell, C là giá trị hiệu dụng thu được, khi đó (N-1) thuê bao còn lại sẽ gây ra nhiễu với thuê bao còn lại. Mức nhiễu sẽ là C(N-1). Tỷ số C/I được tính như sau:
1 1 ) 1
( = −
= −
N N
C C I
C (2.5)
Để đảm bảo chất lượng dịch vụ, cần phải có giá trị C/I lớn hơn một giá trị định trước. Thông thường, tại đầu phát, người ta sử dụng tỷ số Eb/I0 để đánh giá mức tín hiệu đầu ra, đó là tỷ số giữa năng lượng dành cho bit thông tin trên mật độ phổ của nhiễu (coi nhiễu tạp âm bằng 0). Như vậy ta có:
1 1 /
/
0 = = = −
N R W I C R W W I
R C I
Eb (2.6)
Với W là tốc độ của chip, R là tốc độ bit thông tin. Chú ý là W/R chính là độ lợi xử lý PG.
Từ biêt thức trên ta có thể tính số thuê bao có thể phục vụ trong cell là:
0 0
1 1 1
I R E W I
R E N W
b b
≅
−
= (2.7)
Số thuê bao do đó sẽ phụ thuộc vào hai yếu tố: độ lợi xử lý PG và tỷ số Eb/I0.
Cần phải chú ý rằng quá trình xử lý bao gồm quá trình nhân tín hiệu thông tin với chuỗi bit định kênh, như vậy sẽ không có tín hiệu vô tuyến phát ra khi không có tín hiệu thông tin. Gọi (d<1) là hệ số sử dụng, nd hư vậy dung lượng của cell sẽ tăng thêm theo hệ số 1/d. Trong trường hợp truyền tiếng nói, tỷ số d trung bình có giá trị là 0,38. Thêm vào đó nếu trạm thu phát được phân thành các sector thì số thuê bao mà một trạm có thể phục vụ được tăng thêm Gs
do nhiễu sinh ra bởi các thuê bao giảm đi 1/Gs. Cuối cùng ta có dung lượng của một trạm thu phát có Gs sector là:
s b
dG I E R
N W 1
/ 1
0
= (2.8)
Một mạng thông tin di động có nhiều trạm thu phát, mỗi trạm thu phát lại có thể phân thành nhiều sector. Thuê bao có thể di chuyển từ cell này sang cell khác. Hiện tượng nhiễu giữa các cell cũng cần phải tính đến, đó là nhiễu tín hiệu của các cell bên cạnh đến cell mà thuê bao đang cư trú. Thông số này thường được gọi là f, tỷ số giữa tín hiệu nhiễu nhận được từ các cell lân cận và nhiễu của bản thân cell đó. Như vậy dung lượng của trạm bị suy giảm một tỷ lệ là (1+f). Kết quả là
G f d I E R
N W S
b +
≅ 1
1 1
/ 1
)
(2.9)
Trong biểu thức trên, giá trị f là chưa được xác định cụ thể. Nó phụ thuộc nhiều vào quy hoạch của nhà cung cấp dịch vụ. Đối với môi trường macrocell, giá trị của f nằm trong khoảng 0,5 – 0,6.
Công thức trên có thể được tính cho mạng với nhiều loại dịch vụ khác nhau. Tuy nhiên, đây chỉ là công thức gần đúng và dựa trên các giả thiết tuyệt đối. Việc quy hoạch một mạng cụ thể cần dựa trên các số liệu thống kê chính xác và tính đến một số yếu tố ngẫu nhiên của hệ thống.
2.3.2 Dung lượng đường xuống
Mặc dù dung lượng đường xuống về căn bản cũng phụ thuộc vào tỷ số tín hiệu trên nhiễu C/I nhưng việc đưa ra công thức cụ thể phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố. Có thể rút gọn lại như sau:
- Với một trạm thu phát thì tín hiệu được phát tới rất nhiều máy di động MS khác nhau. Chính vì thế mà nhiễu ở đây tập trung từ một nguồn phát ra chứ không dàn trải như các máy di động trong một khu vực lớn.
- Đặc tính của quá trình trải phổ và giải trải phổ đã làm giảm nhiễu sinh ra trong cell.
Do vậy, dung lượng đường xuống cũng được tính theo C/I cho một thuê bao nói chung và phải đảm bảo rằng trạm thu phát phát sóng với công suất đủ lớn đáp ứng được chất lượng dịch vụ.