Trong những năm gần đây khả năng tính toán và hiển thị của máy tính tăng nhanh. Những phƣơng pháp mới dự đoán sự phủ sóng nhƣ mô hình lan truyền vị trí đặc trƣng (SISP), cơ sở dữ liệu hệ thống thông tin đồ thị (GIS). SISP hỗ trợ vẽ tia nhƣ giá trị trung bình của mô hình xác định cho cả môi trƣờng indoor hay outdoor. Thông qua cơ sở dữ liệu của tòa nhà có thể vẽ hoặc số lƣợng bằng phần mềm đồ thị chuẩn. Nhà thiết kế hệ thống vô tuyến có thể biểu diễn chính xác đặc điểm địa hình hay tòa nhà.
Đối với hệ thống outdoor kỹ thuật dõi tia dùng phối hợp với ảnh trên không để biểu diễn ảnh 3 chiều, tích hợp với mô hình tính toán phản xạ, nhiễu xạ, tán xạ. Kỹ thuật Photogrammetric đƣợc dùng để chuyển ảnh vệ tinh hay máy bay của một thành phố thành cơ sở dữ liệu 3 chiều cho mô hình. Trong môi trƣờng indoor bản vẽ kiến trúc cung cấp sự biểu diễn vị trí riêng cho mô hình truyền sóng. Khi cơ sở dữ liệu đã thịnh hành, hệ thống vô tuyến sẽ đƣợc phát triển nhờ công cụ thiết kế máy tính cung cấp mô hình dự đoán xác định (chứ không phải thống kê) mất mát đƣờng truyền kích thƣớc lớn trong dải rộng môi trƣờng hoạt động.
3.7.2. Mô hình suy hao đƣờng truyền kích thƣớc nhỏ [1, 19]
Trên đƣờng truyền kích thƣớc nhỏ có thể bỏ qua hiệu ứng tổn hao theo kích thƣớc lớn. Suy giảm là do giao thoa của 2 hay nhiều phiên bản của tín hiệu phát đi đến bộ thu tại các thời điểm lệch nhau một chút, gọi là sóng đa đƣờng. Tín hiệu thu tổng cộng có biên độ và pha thay đổi trong khoảng rộng tùy thuộc phân bố cƣờng độ, thời gian truyền tƣơng đối của sóng đồng thời cũng phụ thuộc dải rộng của tín hiệu truyền.
3.7.2.1. Lan truyền đa đường kích thước nhỏ
Có 3 hiệu ứng quan trọng là:
- Sự thay đổi nhanh độ mạnh của tín hiệu trên cự ly nhỏ hay trong khoảng thời gian ngắn.
- Tín hiệu bị điều tần do độ dịch Doppler trên các đường truyền khác nhau.
- Sự lệch thời gian (tiếng vọng) gây nên bởi trễ đa đường.
Trong các vùng đô thị, suy giảm xảy ra do chiều cao của anten máy thu thấp hơn các công trình xây dựng xung quanh, nên không có đƣờng truyền truyền thẳng từ trạm cơ sở đến máy thu, thậm chí khi tồn tại đƣờng truyền thẳng, đa đƣờng vẫn xảy ra do phản xạ từ mặt đất và môi trƣờng xung quanh. Tín hiệu thu đƣợc tại máy thu gồm một số lớn sóng phẳng có phân bố biên độ, pha và góc tới ngẫu nhiên.
3.7.2.2. Các loại suy hao đường truyền kích thước nhỏ
Ta đã biết tùy thuộc thông số của tín hiệu lan truyền (dải rộng, chu kỳ ký hiệu…) và các thông số của kênh (trải trễ rms và độ trải Doppler) mà tín hiệu chịu sự suy giảm khác nhau. Trong khi trải trễ đa đƣờng gây nên phân tán thời gian và suy giảm chọn lọc tần số thì độ trải Doppler gây nên sự phân tán tần số và suy giảm chọn lọc thời gian. Hai cơ chế này là độc lập với nhau. Ta có sơ đồ phân loại sau:
Suy giảm kích thƣớc nhỏ do trễ đa đƣờng
Suy giảm phẳng Suy giảm chọn lọc tần số
1. BW tín hiệu < BW kênh 1. BW tín hiệu > BW kênh 2. Trải trễ < Chu kỳ ký hiệu 2. Trải trễ >Chu kỳ ký hiệu
Suy giảm kích thƣớc nhỏ do trải Doppler
1. Trải Doppler cao 1. Trải Doppler chậm
2. Thời gian kết hợp < Chu kỳ ký hiệu 2. Thời gian kết hợp > Chu kỳ ký hiệu 3. Biến đổi kênh nhanh hơn thay đổi tín
hiệu băng cơ sở
3. Biến đổi kênh chậm hơn thay đổi tín hiệu băng cơ sở
a) Mô hình Fading
Mô hình suy hao đƣờng truyền đƣợc trình bày ở trên cung cấp cho chúng ta một giá trị suy hao đƣờng truyền cho mọi kết nối có cùng khoảng cách đến trạm BS. Trong thực tế, các điều kiện bên ngoài tác động đến liên kết giữa BS và các CPE thay đổi theo thời gian, chúng thay đổi xung quanh một giá trị trung bình. Giá trị trung bình của suy hao đƣờng truyền cũng thay đổi giữa các liên kết có cùng một giá trị khoảng cách đến BS. Khi thiết kế và quy hoạch một mạng, những mức tín hiệu không rõ ràng này đƣợc đƣa vào tính toán trong mô hình Fading.
Trong liên kết FBWA không cần tầm nhìn thẳng (NLOS - Non line of sight), sự thay đổi mức tín hiệu do hai nguyên nhân chính. Thứ nhất là do vị trí của các CPE khác nhau. Một số các CPE nằm khuất sau các toà nhà cao tầng hay các vùng cây cối rậm rạp, trong khi đó một số khác lại không bi che khuất gì cả. Sự thay đổi mức tín hiệu do vị trí này đƣợc mô hình hoá trong mô hình Fading che chắn. Thứ hai, hoàn cảnh tác động lên một liên kết giữa BS với một CPE cũng thay đổi theo thời gian. Có thể một ngƣời, một chiếc ôtô, một đoàn tàu di chuyển qua hay các cây cối lung lay do gió cũng đều tác động ảnh hƣởng đến môi trƣờng truyền sóng. Sự thay đổi theo thời gian này đƣợc mô hình hoá theo mô hình Fading nhiều đƣờng.
Fading che chắn mô tả sự thay đổi giá trị trung bình của sự phân bố Fading nhiều đƣờng. Sự phân bố Fading che chắn thƣờng đƣợc mô hình hoá theo phân bố Gaussian. Fading nhiều đƣờng thƣờng đƣợc mô mô hình hoá sử dụng phân bố
Ricean và phân bố Rayleigh. Mô hình này cho rằng băng tần số của tín hiệu đủ hẹp để nó là fading phẳng (nhƣ hình 3.20) tức là không lựa chọn tần số.
Hình 3.20: Kênh Fading phẳng b) Kênh suy giảm chọn lọc tần số
Nếu kênh có hệ số không đổi và pha tuyến tính trong một khoảng tần nhỏ hơn dải rộng tín hiệu truyền thì kênh sẽ gây suy giảm chọn lọc tần số. Khi đó trải trễ đa đƣờng lớn hơn nghịch đảo dải rộng tín hiệu, tín hiệu thu đƣợc gồm nhiều phiên bản của dạng sóng phát bị suy giảm và làm trễ khác nhau gây nên méo tín hiệu.
Hình 3.21: Kênh Fading chọn lọc tần số
Suy giảm chọn lọc tần gây méo ký hiệu truyền còn gọi là giao thoa giữa các ký hiệu (ISI). Kênh này khó mô hình hơn kênh suy giảm phẳng vì môi trƣờng truyền
phải đƣợc mô hình và kênh phải đƣợc xét nhƣ bộ lọc tuyến tính. Do nguyên nhân này phép đo đa đƣờng dải rộng phải đƣợc thực hiện và mô hình đƣợc phát triển từ các phép đo này.
c) Suy giảm nhanh (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Tùy thuộc vào tín hiệu băng cơ sở thay đổi nhanh hay kênh thay đổi nhanh hơn mà ta có suy giảm chậm hay nhanh. Kênh suy giảm nhanh là kênh có đáp ứng xung thay đổi nhanh trong khoảng thời gian ký hiệu, tức là thời gian kết hợp của kênh là nhỏ hơn chu kỳ ký hiệu. Điều này gây nên phân tán tần số (còn gọi là suy giảm chọn lọc thời gian) do sự trải Doppler dẫn đến méo tín hiệu:
TS > TC hay BS < BD
Chú ý là kênh suy giảm nhanh hay chậm độc lập với tính chất phẳng hay chọn lọc tần số của kênh. Ví dụ kênh suy giảm phẳng và nhanh đƣợc mô hình nhƣ đáp ứng xung là hàm Delta, song biên độ của hàm Delta thay đổi nhanh hơn tín hiệu băng cơ sở. Kênh suy giảm chọn lọc tần, nhanh là biên độ, pha, trễ của các thành phần đa đƣờng thay đổi nhanh hơn tín hiệu băng cơ sở.
d) Suy giảm chậm
Đáp ứng xung của kênh thay đổi chậm hơn tín hiệu băng cơ sở. Kênh đƣợc coi là tĩnh trên một hay vài lần nghịch đảo dải rộng tín hiệu, trong miền tần số điều này đƣợc hiểu là độ trải Doppler của kênh nhỏ hơn dải rộng của tín hiệu:
TS < TC hay BS > BD
3.7.3. Vấn đề suy hao đƣờng truyền WiMax tại Việt Nam
Do điều kiện địa hình của nƣớc ta khá phức tạp bị nhiều đồi núi cao che chắn cùng với khí hậu nhiệt đới gió mùa và lƣợng mƣa tập trung lớn nên trong quá trình tính toán thiết kế hệ thống đƣờng truyền WiMax phải tính đến độ dữ trữ theo yêu cầu. Để có thể tính toán đƣợc mức độ suy hao đƣờng truyền WiMax tại các nƣớc trên thế giới nói chung và tại Việt nam nói riêng thì phải dựa trên mô hình suy hao đƣờng truyền kích thƣớc lớn và nhỏ nhƣ đã đề cập ở trên. Đồng thời phải kết hợp với các số liệu thống kê, thử nghiệm của các nƣớc khác trên thế giới. Đối với Việt nam hiện nay VDC (VNPT) đã và đang thử nghiệm WiMax tại Lào Cai, Sapa,…
3.8. VẤN ĐỀ DUNG LƢỢNG [22, 24]
Mục đích của vấn đề dung lượng là tính toán số lượng cần thiết các BS - FBWA và số sector để có thể thoả mãn yêu cầu về dung lượng truyền dẫn của tất cả các thuê bao trong một khu vực nào đó.
3.8.1. Tổng lƣu lƣợng và sự tập trung lƣu lƣợng
Bƣớc đầu tiên trong tính toán dung lƣợng là dự tính tổng lƣu lƣợng của tất cả các thuê bao trong vùng phục vụ. Nó phụ thuộc vào số lƣợng khách hàng tiềm năng của khu vực đó, mong muốn truy nhập dich vụ băng rộng, mong muốn chia sẻ dữ liệu, và lƣu lƣợng mong muốn của các khách hàng.
Hệ số tập trung có thể lớn hoặc nhỏ, tỷ lệ nghịch với số lƣợng BS trong khu vực đó và đủ nhỏ để có thể thoả mãn yêu cầu dịch vụ của khách hàng. Lựa chọn hệ số tập trung phù hợp phụ thuộc vào ứng dụng mà thuê bao đang sử dụng. Nếu các thuê bao đang sử dụng kết nối băng rộng chỉ để đọc các E-mail của họ và lƣớt qua xem tin tức trên các trang Web thì chúng ta có thể lựa chọn một hệ số tập trung lớn. Những dịch vụ băng rộng mới, nhƣ video hay ca nhạc trên internet đòi hỏi một dung lƣợng lớn hơn và yêu cầu thông lƣợng cố định từ mạng. Một số ứng dụng, nhƣ chia sẻ file ngang hàng (peer-to-peer) tồn tại nhiều vấn đề khó giải quyết khi đứng trên quan điểm nhìn nhận của hệ số tập trung lƣu lƣợng.
3.8.2. Điều chế thích nghi và dung lƣợng trung bình của một sector
Dung lƣợng của sector phụ thuộc nhiều nhất vào phƣơng pháp điều biến, mã hoá và độ rộng của kênh radio đƣợc sử dụng. Dung lƣợng của mỗi sector đƣợc chia sẻ cho tất cả các thuê bao trong khu vực phủ sóng của nó. Trong một hệ thống TDD, một kênh tần số giống nhau đƣợc sử dụng cho cả đƣờng lên và đƣờng xuống. Trong mạng FBWA hiện đại, ngƣời ta sử dụng kỹ thuật điều biến thích ứng nên dung lƣợng của mỗi sector BS đơn phụ thuộc vào khoảng cách, đặc điểm liên kết giữa BS và các CPE. Các kết nối tới các CPE đặt gần BS có thể đƣợc cung cấp những lực đồ điều biến hiệu suất cao hơn (nghĩa là sử dụng điều biến nhiều mức) so với các kết nối tới các CPE đƣợc đặt xa BS.
Bảng 3.6 trình bày tốc độ bit thô và yêu cầu về độ nhạy của trạm thu theo chuẩn IEEE 802.16 - 2004 OFDM. Độ nhạy của máy thu (receiver) là mức tín hiệu nhỏ nhất cần nhận đƣợc ở phía máy thu để có thể giải mã đƣợc dòng tín hiệu với một tỷ lệ lỗi bit nào đó có thể chấp nhận đƣợc. Tốc độ dữ liệu trong bảng đƣợc tính toán cho độ rộng băng tần mỗi kênh là 7 MHz. Tỷ lệ giữa tiền tố tuần hoàn thời gian và thời gian có ích trong OFDM (Tg/Tb) đƣợc cho là 1/16.
P/p điều chế Tỷ lệ mã hoá Tốc độ Bit (kb/s) Độ nhạy máy thu (dBm) Bán kính (km) Diện tích phủ sóng (km2) QPSK 1/2 5,76 -84 2,37 5,62 QPSK 3/4 8,65 -82 2,11 4,47 16-QAM 1/2 11,53 -77 1,58 2,51 16-QAM 3/4 17,29 -75 1,41 2,00 64-QAM 2/3 23,06 -71 1,12 1,26 64-QAM 3/4 25,94 -69 1 1
Bảng 3.6: Bán kính và diện tích phủ sóng theo các phương pháp điều chế khác nhau
Bảng 3.6 cũng trình bày phạm vi chuẩn hoá (NR - Normalized Ranges) và khu vực phủ sóng của các phƣơng thức điều chế khác nhau. Chúng đƣợc tính toán dựa theo mô hình suy hao đƣờng truyền log-distance với số mũ suy hao đƣờng truyền bằng 4. Nếu số mũ suy hao đƣờng truyền giảm đi thì phạm vi chuẩn hoá và vùng phủ sóng của các phƣơng pháp điều chế mạnh mẽ hơn tăng lên.
Theo Hoyman, tất cả các phần tiêu đề của MAC chiếm 10% tỷ lệ bit thô, còn nội dung thông tin chuyển lên các lớp trên chiếm 90% còn lại. Bởi vậy thông lƣợng trung bình của mỗi sector có thể lên tới 11-18 Mbps.
3.8.3. Số lƣợng sector và BS
Số thuê bao lớn nhất có thể kết nối tới một sector đơn có thể đƣợc tính toán theo công thức: , ) ( , , sec xC T T T N ave U ave D tor s Subscriber (3.5)
Trong đó:
NSubcribers là số lƣợng thuê bao lớn nhất trong một sector Tsector là dung lƣợng lƣu lƣợng (tốc độ dữ liệu) của một sector TD,ave là tốc độ dữ liệu đƣờng xuống trung bình của mỗi thuê bao TU,ave là tốc độ dữ liệu đƣờng lên trung bình của mỗi thuê bao
C là hệ số của bộ tập trung (Đối với Wimax thông thƣờng chọn C = 20) Dung lƣợng cơ sở của sector BS (The capacity-based number of base station sectors) là tỷ số giữa số lƣợng khách hàng mong muốn trong khu vực phục vụ và số lƣợng thuê bao lớn nhất trong một sector. Số lƣợng BS cần thiết có thể đƣợc tính toán, ví dụ bằng 1/6 số lƣợng sector.
Từ công thức (3.5), với Tsector = 70 Mb/s, TD,ave = TU,ave = 1Mb/s, C = 20, ta tính được NSubcribers = 700. Điều này có nghĩa là với thông lượng lớn nhất mà WiMax có thể đạt được 70Mb/s, thì có thể phục vụ được lớn nhất là 700 thuê bao trong một sector với tốc độ trung bình đường lên/đường xuống là 1Mbps/1Mbps. Muốn nâng cao chất lượng dịch vụ (chẳng hạn đường lên/đường xuống là 3.5Mbps/3.5Mbps) thì phải giảm số thuê bao trong một sector (200 thuê bao).
3.9. PHỦ SÓNG, TẦN SỐ VÀ CHỈ ĐỊNH KÊNH 3.9.1. Kế hoạch phủ sóng 3.9.1. Kế hoạch phủ sóng
Mục đích của việc lên kế hoạch phủ sóng là để bảo đảm rằng số lƣợng dung lƣợng cơ sở (capacity-based) của BS đủ để có thể phủ sóng tới tất cả các khách hàng trong khu vực phủ sóng đang xét. Lên kế hoạch phủ sóng là thực hiện tính toán bảng năng lƣợng liên kết (link budget) dựa trên mô hình kênh và thông số hệ thống phù hợp.
3.9.1.1. Bảng tính năng lượng liên kết [24, 25, 26]
Bảng tính năng lƣợng liên kết là một bảng bao gồm tất cả các thông số tăng ích và suy hao (theo kinh nghiệm) của tín hiệu radio giữa bên phát và bên thu. Bảng tính năng lƣợng liên kết sử dụng trong luận văn này đƣợc tính toán trong bảng 3.7. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Thành phần hệ thống Tăng ích
Năng lƣợng phát ra từ trạm phát (dBm) Suy hao truyền dẫn trong máy phát (dB) Tăng ích của anten của máy phát (dBi)
Năng lƣợng phát xạ hiệu quả (dBm)
25 -2 14
37
Độ dài đƣờng truyền (km)
Suy hao đƣờng truyền trung bình (dB)
Suy hao xuyên qua Cây cối / Công trình xây dựng (dB)
Tổng suy hao đƣờng truyền trung bình (dB)
1 -120
-7
-127
Tăng ích anten máy thu (dBi)
Suy hao truyền dẫn trong máy thu (dB)
Mức tín hiệu trung bình tại đầu vào máy thu (dBm)
18 -2
-74
Dự trữ fading (dB)
Độ nhạy máy thu (QPSK 1/2) Dự trữ (QPSK 1/2)
10 -84
0
Bảng 3.7: Bảng tính năng lượng liên kết cơ bản
Mức tín hiệu phát ra lớn nhất phụ thuộc vào sự quy định của từng địa phƣơng. Mức năng lƣợng đỉnh tối đa có thể truyền cho thiết bị TDMA ở dải tần số 3,3 GHz là 35dBm (ETSI EN 301 021). Tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình PAPR (Peak-to-Average Power Ratio) của phƣơng pháp điều biến OFDM làm cho năng lƣợng trung bình trở nên thấp hơn. Ở đây, một tỷ lệ PAPR đƣợc giả định là 10dBm. Suy hao truyền dẫn trong máy phát và máy thu bao gồm suy hao đƣờng dây truyền dẫn và những suy hao khác giữa sóng radio và anten.
Hệ số tăng ích anten phát phụ thuộc chủ yếu vào góc mở của anten. Trong luận văn này giả định rằng anten dùng cho mỗi sector tại BS có góc mở là 600
và 1200, có hệ số tăng ích lần lƣợt là 17dBi và 14dBi. Anten của CPE là anten định hƣớng