4.2.1 Lựa chọn băng tần
Băng tần 2500 – 2690 MHz (băng 2.5 GHz)
Băng tần này là băng tần đƣợc WiMax Forum ƣu tiên lựa chọn cho WiMax di động theo chuẩn 802.16-2005. Trƣớc đây băng tần này trƣớc đây đƣợc sử dụng phổ biến cho các hệ thống truyền hình MMDS, nhƣng do hệ thống này không phát triển nên rất có thể băng tần đó sẽ đƣợc cấp phép sử dụng cho mạng WBA tại Việt Nam.
Tập đoàn bƣu chính viễn thông Việt Nam VNPT đƣợc cấp phép thử nghiệm Mobile WiMAX ở dải tần số này.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn
- 68 -
Nhiệm vụ chính của việc phân tích vùng phủ là để xác định đƣợc: nơi nào cần đƣợc phủ sóng, các kiểu phủ sóng đối với mỗi vùng. Thông thƣờng, ta cần phủ sóng trƣớc hết ở các khu vực quan trọng nhƣ: các khu thƣơng mại, khu công nghiệp, các vùng có mật độ dân cƣ cao và các đƣờng cao tốc chính. Vì thế cần hiểu biết rõ về vùng cần phủ sóng trên cơ sở bản đồ mật độ dân cƣ, phân biệt ranh giới giữa các vùng: Thành phố, ngoại ô, nông thôn, khu thƣơng mại, nhà ở, khu công nghiệp, bãi
đỗ xe,….Bản đồ cũng có thể cung cấp thông tin hữu ích cho việc xác định kiểu môi
trƣờng, mô hình truyền sóng giúp lựa chọn thừa số hiệu chỉnh môi trƣờng và tổn hao thâm nhập toà nhà một cách chính xác.
Các mức phủ sóng khác nhau có thể áp dụng cho từng kiểu môi trƣờng riêng biệt, chẳng hạn là: áp dụng mức phủ sóng trong nhà cho vùng thành phố và ngoại ô, mức phủ sóng trong xe ô tô cho khu vực đƣờng cao tốc trong khi áp dụng phủ sóng ngoài trời cho khu vực nhƣ bãi đỗ xe. Đối với các hệ thống thông tin di động thế hệ ba ngoài các tiêu chí trên, ta cũng cần phải xét đến: các loại dịch vụ cần cung cấp ở vùng đƣợc xét. Chẳng hạn thuê bao cần dịch vụ số liệu tốc độ cao hay thấp hay thuê
bao chỉ cần dịch vụ tiếng hay số liệu…Tất cả các vấn đề trên đều rất quan trọng. Hình
3.12 thể hiện vùng phủ hiệu dụng của ô chịu ảnh hƣởng của tốc độ số liệu, ta thấy đƣợc ngay là tốc độ số liệu càng cao thì vùng phủ sóng càng nhỏ.
B¸n kÝnh cho dÞch vô tho¹i B¸n kÝnh cho dÞch vô sè liÖu 64kbps B¸n kÝnh cho dÞch sè liÖu 480kbps B¸n kÝnh cho dÞch vô tho¹i B¸n kÝnh cho dÞch vô sè liÖu 64kbps B¸n kÝnh cho dÞch sè liÖu 480kbps
Hình 4.12. Các vệt phủ của cell cho các dịch vụ khác nhau
Sau khi đã nắm đƣợc yêu cầu về vùng phủ sóng, tiếp theo ta có thể tiến hành quy hoạch vùng phủ, trong việc quy hoạch vùng phủ vô tuyến này vấn đề cần xem xét chủ yếu nhƣ sau:
Lựa chọn mô hình truyền sóng Tính toán quỹ đƣờng truyền Quy hoạch vị trí cell
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn
- 69 -
a. Mô hình truyền sóng
Sự suy hao đƣờng truyền của thông tin vô tuyến nói chung rất ít có thể hạn chế đƣợc, nhất là ở thông tin vô tuyến điểm - điểm hoặc điểm - đa điểm, bởi vì anten thu phát đặt cao nên suy hao đƣờng truyền rất cao. Ở hệ thống thông tin di động, anten của máy di động thƣờng ở gần mặt đất nên suy hao truyền sóng tỷ lệ với lỹ thừa bậc n (n>2) của khoảng cách truyền sóng. Để có thể tính toán cụ thể đại lƣợng này, ngƣời ta đƣa ra một số mô hình truyền sóng khác nhau, mỗi mô hình này đều mang tính thử nghiệm vì là đặc điểm truyền sóng không ổn định.
Có rất nhiều mô hình truyền sóng thực hiện đã đƣợc xây dựng cho nghiên cứu tổn hao truyền sóng ngoài trời nhƣ các mô hình: Hata, Costa231,Walfish/Ikegami,
Quick, Carey, Longley-Rice, Lee,….. nhƣng phổ biến nhất là hai mô hình Hata (hay
còn gọi là Okumura-Hata) và Walfish/lkegami. Mỗi mô hình có những độ phức tạp khác nhau và phù hợp với những điều kiện khác nhau ở các dải tần số khác nhau. Đối với hệ thống thông tin di động WiMAX đang trong quá trình thử nghiệm nên chƣa có một mô hình để tính toán vì vậy ta có thể sử dụng mô hình tƣơng đối nhất là Cost231 với dải tần 2 MHz, nhƣng có thể áp dụng cho dải tần WiMAX
Các mô hình trong nhà phải tính đến tổn hao thâm nhập toà nhà đối với các kiểu toà nhà khác nhau cũng nhƣ đối với các tầng khác nhau. Ngoài ra, máy di động sử dụng trong nhà sẽ bị fading nhiều tia đối với các đƣờng truyền bị chƣớng ngại vật fading Rician đối với các tia thuộc tầm nhìn thẳng. Fading nhiều tia là fading ngắn hạn gây ra do các tín hiệu hữu ích. Khác với fading Rician vì nó xảy ra do sự kết hợp đƣờng truyền LOS (Line of sight) mạnh với đƣờng truyền mặt đất và nhiễu đƣờng truyền phản xạ yếu. Đƣờng truyền LOS ở tầng cao có thể tạo ra tín hiệu mạnh hơn tín hiệu ở ngoài tƣờng nhà. Ta xét một số mô hình thực nghiệm:
Mô hình Hata-Okumura
Mô hình Hata là một mô hình mang tính thực nghiệm, mô hình này cho phép sử dụng các kết quả vào các công cụ tính toán. Trong bài báo cáo của Okumura bao gồm rất nhiều các lƣu đồ các bài toán đƣợc sử dụng để lập mô hình thông tin vô tuyến. Dƣới đây là một số các biểu thức toán học đƣợc sử dụng trong mô hình Hata để xác định tổn hao trung bình L nhƣ sau:
Vùng thành phố:
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn
- 70 -
fc: Tần số sóng mang (MHz).
Lp: Tổn hao trung bình (dB).
hb: Độ cao anten của trạm gốc (m).
hm : Độ cao anten của máy đi động
a(hm): Hệ số điều chỉnh cho độ cao của anten của trạm di động (dB).
R: Khoảng cách giữa anten của trạm di động MS và anten của trạm gốc (Km).
Dải thông số áp dụng cho mô hình Hata nhƣ sau:
150 fc < 2500 MHz
30 hb 200m
1 hm 10m
1 R 20Km
Trong đó a(hm) đƣợc tính nhƣ sau:
- Đối với thành phố vừa và nhỏ:
a(hm) = (1,11gfc - 0,7)hm - (1,56lgfc - 0,8) [dB] - Đối với thành phố lớn: a(hm) = 8,29(lg1,54hm)2 - 1,1[dB] fc 200MHz hay a(hm) = 3,2(lg11,75hm)2 - 4,97[dB] fc 400MHz Vùng ngoại ô: Lp = Lp (thành phố) - 2 {lg(fc/28 )2 - 5,4} [dB] Vùng nông thôn: Lp = Lp(thành phố) - 4,78(lgfc)2 + 18,33lgfc - 40,49 [dB]
Trong mô hình Hata không xét đến mọi hiệu chỉnh cho đƣờng truyền cụ thể đƣợc sử dụng trong mô hình Okumura. Mô hình Okumura chỉ tập trung chủ yếu đối với vùng dân cƣ thành phố lớn, ngoài ra mô hình này còn yêu cầu việc thiết kế là chính, đặc biệt khi mà lựa chọn các yếu tố môi trƣờng làm sao cho phù hợp nhất.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn
- 71 -
này tƣơng tự với mô hình Hata-Okumura song nó có tính đến các hệ số điều chỉnh hình thái học của vùng phủ sóng. Công thức cho mô hình này nhƣ sau:
L = 46,3 + 33,9 log(f) – 13,82 log(hb) + (44,9 – 6,55 log(hb))log(d) + c Trong đó: c = 13 cho vùng thành phố lớn
c = 0 cho vùng thành phố c = - 12 cho vùng ngoại ô c = - 27 cho vùng nông thôn
b. Quỹ đƣờng truyền
Tính quỹ đƣờng truyền là cân đối toàn bộ công suất phát cũng nhƣ khuyếch đại của các phần tử trên đƣờng truyền với tổn hao gây ra do các phần tử trên đƣờng truyền cùng với dự trữ fading đƣờng truyền để nhận đƣợc công suất thu tại máy thu. Công suất này phải đủ lớn để đảm bảo tỷ số tính hiệu trên tạp âm yêu cầu ở phía máy thu và để có thể khôi phục lại thông tin với chất lƣợng yêu cầu. Tổn hao cực đại đáp ứng điều kiện này đƣợc gọi là tổn hao cực đại cho phép.
Tổn hao cực đại cho phép xác định ở các đƣờng xuống và đƣờng lên. Giá trị nhỏ hơn trong hai kết quả đó đƣợc gọi là giới hạn vùng phủ của ô và dịch vụ.
Khi tính toán quỹ đƣờng truyền ở hệ thống WiMAX cần lƣu ý các thông số quan trọng sau đây:
Dự trữ nhiễu (Interference Margin):
Vì hệ số tải khác nhau sẽ tác động khác nhau lên vùng phủ sóng: Hệ số tải
càng lớn thì nhiễu đồng kênh càng lớn tức là càng cần có dự trữ nhiễu lớn ở đƣờng lên và cần thu hẹp vùng phủ. Đối với trƣờng hợp bị giới hạn bởi vùng phủ cần đề xuất dự trữ nhiễu nhỏ, và ngƣợc lại, dự trữ nhiễu lớn cho trƣờng hợp bị hạn chế bởi dung lƣợng.
Dự trữ fading nhanh (fast fading margin):
Để duy trì điều kiện công suất nhanh vòng kín cần một lƣợng dự trữ fading nhất định ở công suất phát của máy di động. Dự trữ fading nhanh điển hình 2,0-5,0dB cho các MS chuyển động chậm.
Độ lợi chuyển giao mềm (soft handover gain):
Chuyển giao mềm hay cứng đảm bảo độ lợi để chống fading bằng cách giảm dự trữ fading chuẩn log (fading do che tối). Lý do là, fading chậm thƣờng không tƣơng
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn
- 72 -
hiện chuyển giao. Chuyển giao mềm cung cấp độ lợi phân tập vĩ mô bổ sung để
chống lại fading nhanh bằng cách giảm tỷ số Eb/N0 liên quan đến một đƣờng truyền
đơn nhờ việc kết hợp phân tập vĩ mô. Độ lợi chuyển giao mềm đƣợc coi bằng 2dB hoặc 3dB. Dự trữ fading chuẩn log phụ thuộc vào mức độ yêu cầu độ tin cậy vùng phủ của ô (xác suất phủ sóng).
Do những đặc điểm khác nhau, quỹ đƣờng truyền cần đƣợc tính riêng cho cả đƣờng xuống và đƣờng lên cũng nhƣ cho các tốc độ khác nhau để xác định tổn hao cực đại cho phép mỗi đƣờng, từ đó căn cứ vào mô hình truyền sóng sẽ tính đƣợc bán kính phủ sóng tƣơng ứng đối với mỗi loại hình dịch vụ.
Quỹ đƣờng lên
Dƣới đây ta sẽ xét thí dụ về quỹ đƣờng truyền cho các dịch vụ WiMAX:
Bảng 4. 1: Tính toán quỹ đường lên cho dịch vụ tiếng 128kbps
Máy phát (MS)
Thông số Đơn vị
đo
Giá trị Ký hiệu/biểu thức
Công suất máy phát dBm 23 Ptxm
Hệ số khuyếch đại An ten dBi -1 Gm
Tổn hao phi đơ và connector dB 0 Lfm (Nếu có)
Tổn hao cơ thể dB 0 Lb
Công suất phát xạ hiệu dụng tƣơng
đƣơng(EIRPm) dBm 22 EIRPm= Ptxm- Lfm+ Lb+ Gm Máy thu (BS) Thông số Đơn vị đo Giá trị Ký hiệu/Biểu thức Mật độ phổ tạp âm nhiệt dBm/Hz -174 N0
Hệ số tạp âm trên máy thu dB 5,0 NF
Công suất tạp âm nhiệt máy thu đBm -103,16 NT= N0 + NF +
10log(3,84.106)
Dự trữ nhiễu giao thoa dB 3 MI (phụ thuộc tải ô)
Tổng tạp âm và nhiễu giao thoa đBm -100,16 NT + I = NT + MI
Độ lợi xử lý dB 14,77 Gp = 10log(3,84.106/128.103)
Tỉ số SNRreq đB -6 (Eb/N0)req (phụ thuộc dịch
vụ)
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn
- 73 -
Khuyếch đại Anten trạm gốc dBi 15 Gb
Tổn hao phi đơ và connector trạm gốc
đB 0 Lf
Dự trữ pha đinh nhanh dB 4 Mf-F(để đảm bảo điều khiển
công suất nhanh vòng kín)
Dự trữ pha đinh chuẩn log đB 5,56 ML – F (Xác suất phủ = 90% )
Tổn hao thâm nhập tòa nhà dB 10 Lpenet
Độ lợi chuyển giao mềm dB 2,0 GHO
Tổn hao đƣờng truyền cực đại cho phép đối với vùng phủ của ô
dB 140,37 Lmax = EIRPm - Pmin + Gb -
Lf - Lpenet - Mf-F - ML – F +
GHO
Quỹ đƣờng xuống
Quỹ đƣờng xuống đƣợc cho ở bảng dƣới đây:
Bảng 4.2: Tính toán quỹ đường xuống cho dịch vụ số liệu 2048kbps
Máy phát (BS)
Thông số Đơn vị
đo
Giá trị Ký hiệu/biểu thức
Công suất máy phát dBm 43 Ptxb
Hệ số khuyếch đại An ten dBi 15 Gb
Tổn hao phi đơ và connector dB 0 Lfb
Công suất phát xạ hiệu dụng tƣơng đƣơng dBm 58 EIRPb = Ptxb- Lfb+ Gb Máy Thu (MS) Thông số Đơn vị đo Giá trị Ký hiệu/Biểu thức Mật độ phổ tạp âm nhiệt dBm/Hz -174 N0
Hệ số tạp âm trên máy thu dB 5,0 NF
Công suất tạp âm nhiệt máy thu đBm -103,16 NT = N0 + NF +
10log(3,84.106)
Dự trữ nhiễu giao thoa dB 2 MI (phụ thuộc tải ô)
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn
- 74 -
10log(3,84.106/2048.103)
Tỉ số SNRreq đB -3,31 (Eb/N0)req (phụ thuộc dịch
vụ)
Độ nhạy máy thu hiệu dụng dBm -100,58 Pmin = NT + I - Gp + (Eb/N0)req
Khuyếch đại Anten máy di động dBi -1,0 Gm
Tổn hao phi đơ và connector máy di động
đB 0 Lf (nếu có)
Dự trữ pha đinh nhanh dB 6,0 Mf-F(để đảm bảo điều khiển
công suất nhanh vòng kín)
Dự trữ pha đinh chuẩn log đB 5,56 ML – F (Xác suất phủ = % )
Tổn hao cơ thể dB 0 Lb
Tổn hao thâm nhập tòa nhà dB 10 Lpenet
Độ lợi chuyển giao mềm dB 2,0 GHO
Tổn hao đƣờng truyền cực đại cho phép đối vối vùng phủ của ô
dB 138,02 Lmax = EIRPm - Pmin + Gm - Lf
- Lpenet - Mf-F - ML – F + GHO Quỹ đƣờng truyền ở bảng 4.2 đƣợc tính toán cho dịch vụ số liệu 2048 kbps đối với ngƣời đi bộ trong nhà, bao gồm cả tổn hao trong nhà là 10 dB.
4.2.3 Tính toán vùng phủ sóng và dung lƣợng
Số lƣợng cell bị giới hạn bởi cả vùng phủ và dung lƣợng, vì vậy cần tiến hành hai bƣớc quy hoạch này để xác định các giới hạn về số lƣợng cell. Sau đó, cần điều chỉnh các giá trị đến mức hợp lý để đạt sự hài hòa về vùng phủ và dung lƣợng để có giới hạn cuối cùng.
a. Phƣơng án tính số cell theo quy hoạch vùng phủ
Vùng phủ sóng chủ yếu tập trung vào vào các trƣờng đại học, cao đẳng, trung học, các khu trung tâm thƣơng mại, dịch vụ, hành chính, các khu công nghiệp tập trung tại các phƣờng trung tâm thành phố, dọc tuyến đƣờng quốc lộ 3, đƣờng Cách mạng tháng 8.
Nhƣ chúng ta biết, các dịch vụ số liệu có tốc độ càng cao thì vùng phủ càng hẹp, nên để đảm bảo chất lƣợng vùng phủ sóng cho tất cả các dịch vụ cần phải tiến hành tính toán số cell theo qũy đƣờng truyền của dịch vụ số liệu 128kbps, việc tính toán chỉ thực hiện cho đƣờng lên cho cả ba kiểu phủ sóng là trong nhà, đi bộ và trong xe. Tính toán vùng phủ sóng áp dụng cho các vùng đặc thù sau:
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn
- 75 - Mật độ điện thoại 88 thuê bao/100 dân Internet đạt 2,4 thuê bao/100 dân
Thuê bao di động Wimax dự đoán: 10000
Để tính quỹ đƣờng truyền, cần xây dựng các mô hình truyền sóng thích hợp và các thừa số hiệu chỉnh đặc trƣng cho mỗi vùng phủ. Tuy nhiên, với mục đích là đơn giản hoá mô hình hệ thống nên giả thiết rằng sử dụng một mô hình truyền sóng duy nhất là Cost 231 - Hata:
L = 46,3 + 33,9 log(f) – 13,82 log(hb) + (44,9 – 6,55 log(hb))log(d) + c
Trong đó: c = 0 cho vùng đô thị c = - 12 cho vùng ngoại ô
f = 2500Mhz (2495Mhz – 2690Mhz) hb = 32 m
hm = 1.5m
Với tổn thất đƣờng truyền tối đa cho phép của đƣờng xuống số liệu 2048kb/s và đƣờng lên dịch vụ tiếng 128 kb/s là: 138,02(dB) và 140,37dB.
Từ việc phân tích và tính toán quỹ đƣờng truyền cho phép ta tính toán đƣợc bán kính phủ sóng (R) của ô trong một mô hình truyền sóng cho trƣớc. Khi xác định đƣợc R thì ta có thể xác định đƣợc diện tích phủ sóng của ô. Đối với một ô diện tích vùng phủ đƣợc tính nhƣ biểu thức sau:
Bảng 4. 3: Quan hệ giữa diện tích cell và bán kính
Cấu hình cell Omni 2 Sector 3 Sector 4Sector 6 Sector
Diện tích cell 2,6R2 1,3 R2 1,95 R2 2,6 R2 2,6 R2 Số cell = diện tích vùng / diện tích cell
Kết quả tính toán quy hoạch vùng phủ đƣợc tổng kết ở bảng dƣới đây:
Thông số Vùng thành
phố Vùng ngoại ô