Hệ thống W-CDMA là sự phát triển tiếp theo của các hệ thống thông tin di động thế hệ hai sử dụng công nghệ CDMA đang là mục tiêu hướng tới của các hệ thống thông tin di động trên toàn th
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG W-CDMA
Cấu trúc mạng W-CDMA
1.2.1 Các giai đoạn phát triển từ GSM lên 3G [3]
Yêu cầu thiết bị truyền số liệu gói
GSM CSD (GSM số liệu chuyển mạch kênh)
GPRS (dịch vụ vô tuyến gói chung)
EDGE (các tốc độ số liệu bậc cao để phát triển GSM)
Các máy di động cầm tay
Các máy di động đơn mốt (một chế độ hoạt động) không có khả năng sử lý số liệu gói
Các máy di động cho phép làm việc trên mạng GPRS* và trên mạng GSM ở tốc độ số liệu 9.6 Kbit/s - đây là các máy CSD 2 chế độ hoạt động
Các máy di động EDGE sẽ làm việc ở tốc độ lên tới 384Kbit/s** trên các mạng EDGE, GPRS và ở tốc độ 9.6 Kbit/s trên mạng GSM - đây là các máy CSD 3 chế độ hoạt động
Các máy di động W- CDMA sẽ làm việc ở tốc độ lên tới 2Mbit/s*** trên các mạng 3G-các máy này có 4 chế độ hoạt động
Cơ sở hạ tần thiết bị
Không có khả năng xử lý số liệu gói
Cần lắp thêm các mô-đun xử lý số liệu gói mới trên nền mạng chuyển mạch kênh
Cần thay đổi cơ sở hạ tầng mạng nhiều hơn
Cơ sở hạ tầng mới kết nối với mạng hiện có
Nền GSM TDMA, bổ xung thêm phần xử lý số liệu gói
Cần sửa đổi nền tảng GSM TDMA
Cơ sở hạ tầng CDMA mới ỉ Chỳ thớch:
* : Tốc độ cao nhất trên lý thuyết đối với GPRS là 171.2 Kbit/s Tuy nhiên, trên thực tế hiện nay chưa đạt được tốc độ này mà điển hình chỉ đạt được tốc độ trên dưới 50 Kbit/s
** : Tốc độ cao nhất trên lý thuyết đối với EDGE là 384 Kbit/s Tuy nhiên, trên thực tế hiện nay chỉ đạt được tốc độ tối đa là 144 Kbit/s
*** : Tốc độ cao nhất trên lý thuyết đối với W-CDMA là 2Mbit/s Tuy nhiên, trên thực tế hiện nay chỉ đạt được tốc độ tối đa là 384 Kbit/s
Hệ thống W-CDMA được xây dựng trên cơ sở mạng GPRS Về mặt chức năng có thể chia cấu trúc mạng W-CDMA ra làm hai phần : mạng lõi (CN) và mạng truy nhập vô tuyến (UTRAN), trong đó mạng lõi sử dụng toàn bộ cấu trúc phần cứng của mạng GPRS còn mạng truy nhập vô tuyến là phần nâng cấp của W-CDMA Ngoài ra để hoàn thiện hệ thống, trong W-CDMA còn có thiết bị người sử dụng (UE) thực hiện giao diện người sử dụng với hệ thống Từ quan điểm chuẩn hóa, cả UE và UTRAN đều bao gồm những giao thức mới được thiết kế dựa trên công nghệ vô tuyến W-CDMA, trái lại mạng lõi được định nghĩa hoàn toàn dựa trên GSM Điều này cho phép hệ thống W-CDMA phát triển mang tính toàn cầu trên cơ sở công nghệ GSM
Hình 1.2 Cấu trúc hệ thống UMTS
Thiết bị người sử dụng thực hiện chức năng giao tiếp người sử dụng với hệ thống UE gồm hai phần :
- Thiết bị di động (ME : Mobile Equipment) : Là đầu cuối vô tuyến được sử dụng cho thông tin vô tuyến trên giao diện Uu
502 Bad GatewayUnable to reach the origin service The service may be down or it may not be responding to traffic from cloudflared
1.2.2.2 UTRAN (UMTS Terestrial Radio Access Network)
Mạng truy nhập vô tuyến UTRAN gồm hai phần tử:
- Nút B : Thực hiện chuyển đổi dòng số liệu giữa các giao diện Iub và Uu Nó cũng tham gia quản lý tài nguyên vô tuyến
502 Bad GatewayUnable to reach the origin service The service may be down or it may not be responding to traffic from cloudflared
RNC có chức năng: xử lý tín hiệu điều khiển, khai thác và bảo dưỡng (O&M), tách/ghép kênh chung, chuyển mạch ATM, chuyển giao – phân tập… RNC được nối với BTS để điều khiển kết nối đường truyền vô tuyến và điều khiển chuyển giao.
RNC cần có khả năng thích nghi linh hoạt với các vùng khác nhau, từ thành phố lớn có mật độ lưu lượng cao đến các vùng ngoại ô có mật độ lưu lượng thấp hơn
Do đó, nó cần có khả năng xử lý thấp nhất là hàng chục nghìn cuộc gọi giờ bận (BHCA), khả năng chuyển mạch ít nhất là vài Gbit/s, khả năng quản lý hàng chục BTS…
+ Trung tâm chuyển mạch dịch vụ di động MSC(Mobile services Switching
Center): đây là thành phần trung tâm của khối SS, thực hiện các chức năng sau: ü Xử lý cuộc gọi (call processing) ü Điều khiển chuyển giao (handover control) ü Quản lý di động (mobility management) ü Xử lý tính cước (billing) ü Tương tác mạng (interworking function)
+ Thanh ghi định vị tạm trú VLR (Visitor Location Register): bộ định vị tạm trú lưu trữ tạm thời các thông tin về thuê bao trong vùng phục vụ của MSC VLR được tham chiếu từ cơ sở dữ liệu của HLR như: số hiệu nhận dạng vùng định vị đang phục vụ MS, danh sách các dịch vụ của MS, trạng thái MS (busy, idle, …)
+ Thanh ghi định vị thường trú HLR (Home Location Register): bộ định vị thường trú là cơ sở dữ liệu chiếu tham lưu giữ lâu dài các thông tin về thuê bao thuộc vùng phủ sóng của MSC Nó còn lưu trữ vị trí hiện tại của các thuê bao cũng như các dịch vụ thuê bao mà đang được sử dụng
+ GMSC (Gate MSC): điểm kết nối giữa hai mạng Cổng MSC là nơi giao tiếp giữa mạng di động và mạng cố định Nó chịu trách nhiệm định tuyến cuộc gọi từ mạng cố định đến mạng di động và ngược lại
+ SGSN (Serving GPRS Support Node) : Có chức năng như MSC/VLR nhưng được sử dụng cho các dịch vụ chuyển mạch gói (PS)
+ GGSN (Gateway GPRS Support Node) : Có chức năng như GMSC nhưng chỉ phục vụ cho các dịch vụ chuyển mạch gói
1.2.2.4 Các giao diện vô tuyến
- Giao diện C U : Là giao diện giữa thẻ thông minh USIM và ME Giao diện này tuân theo một khuôn dạng chuẩn cho các thẻ thông minh
- Giao diện U U : Là giao diện mà qua đó UE truy cập các phần tử cố định của hệ thống và vì thế mà nó là giao diện mở quan trọng nhất của UMTS
- Giao diện I U : Giao diện này nối UTRAN với CN, nó cung cấp cho các nhà khai thác khả năng trang bị UTRAN và CN từ các nhà sản xuất khác nhau
- Giao diện I U r : Cho phép chuyển giao mềm giữa các RNC từ các nhà sản xuất khác nhau
- Giao diện I U b : Giao diện cho phép kết nối một nút B với một RNC IUb được tiêu chuẩn hóa như là một giao diện mở hoàn toàn.
Các đặc tính kỹ thuật cơ bản của W-CDMA
Phương thức truy nhập CDMA trãi phổ trực tiếp
FDD Độ rộng băng thông 5 MHz
Khoảng cách sóng mang 200 KHz
Tốc độ số liệu ~ 2 Mbit/s Độ dài khung số liệu 10, 20, 40, 80 ms
Mã hiệu chỉnh lỗi Mã Turbo, mã xoắn
Phương thức điều chế số liệu Đường xuống QPSK, đường lên BPSK
Phương thức điều chế trải phổ Đường xuống QPSK, đường lên HPSK
Hệ số trãi phổ (SF) 4 ~ 512
Phương thức đồng bộ giữa các trạm gốc
Dị bộ ( cũng có thể sử dụng chế độ đồng bộ)
Phương pháp mã hóa thoại AMR (1.95 Kbit/s – 12.2 Kbit/s) ỉ Chỳ thớch:
AMR : mã hóa nhiều tốc độ thích ứng
FDD : song công phân chia tần số
HPSK : điều chế pha hỗn hợp (lai)
1.3.1 Kỹ thuật trãi phổ trong hệ thống di động W-CDMA
Hiện nay, trong hệ thống di động W-CDMA sử dụng nguyên lý trải phổ trực tiếp (DS/SS – Direct Sequence Spread Spectrum)
Giải pháp này cung cấp tất cả các tiềm năng đồng thời cho mọi thuê bao, khống chế mức công suất phát từ mỗi thuê bao ở mức tối thiểu đủ để duy trì một tỷ số tín hiệu/tạp âm theo mức chất lượng yêu cầu Mỗi thuê bao sử dụng một tín hiệu băng rộng như tạp âm chiếm toàn bộ dải tần phân bố Theo cách như vậy mỗi thuê bao tham gia vào tạp âm nền tác động tới tất cả các thuê bao khác, nhưng ở phạm vi ít nhất có thể bằng cách khống chế công suất phát Như vậy một hệ thống được coi là trải phổ nếu: tín hiệu trải phổ (tín hiệu phát) phải có độ rộng phổ lớn hơn nhiều lần độ rộng phổ của thông tin gốc cần truyền Trải phổ được thực hiện bằng một mã độc lập với dữ liệu gốc ỉ Sơ đồ nguyờn lý trải phổ như sau:
Hình 1.3 Nguyên lý trải phổ ỉ Kỹ thuật trải phổ chuỗi trực tiếp (DS/SS)
Hệ thống DS/SS được trải phổ bằng cách cộng module 2 dữ liệu gốc với mã giả ngẫu nhiên Tín hiệu sau khi trộn sẽ điều chế một sóng mang theo BPSK, QPSK… Máy thu dùng mã giả ngẫu nhiên được tạo ra giống như bên phát cộng module 2 với tín hiệu thu được, thực hiện giải trải phổ để lấy tín hieọu mong muoỏn Đây là hệ thống được biết đến nhiều nhất trong các hệ thống thông tin trải phổ Là hệ thống tương đối đơn giản vì nó không yêu cầu tốc độ tổng hợp tần soá cao
Hình 1.4 Kỹ thuật trải phổ trực tiếp v Sơ đồ khối hệ thống trải phổ trực tiếp DS/SS:
Hình 1.5 Máy phát DS/SS
Hình 1.6 Máy thu DS/SS
1.3.1.1 Kỹ thuật DS/SS – BPSK ỉ Quỏ trỡnh trải phổ DS/SS – BPSK ỉ Quỏ trỡnh trải phổ tớn hiệu tin được minh hoạ như hỡnh vẽ sau:
Hình 1.7 Quá trình trải phổ DS/SS – BPSK
Bản tin nhị phân cần phát có tốc độ bit R b = 1/ T b được mã hoá theo NZR sao cho b(t)= ±1 Ta có thể biểu diễn b(t) như sau:
Trong đó, b k = ±1 là bit số liệu thứ k và T là độ rộng xung của một bit số liệu Tín hiệu b(t) được trải phổ bằng cách nhân với tín hiệu p(t), p(t) = ±1 là tín hiệu giả ngẫu nhiên có tốc độ Rc= 1/Tc lớn hơn nhiều lần so với Rb Phần tử nhị phân của chuỗi p(t) được gọi là một chip để phân biệt nó với phần tử nhị phân (bit) của bản tin Tín hiệu b(t)p(t) nhận được sẽ được điều chế một sóng mang theo phương pháp điều chế BPSK Tín hiệu phát DS/SS – BPSK là: s(t) = A.b(t).p(t).cos(2π f c t + θ(t)) Trong đó:
A: là biên độ sóng mang fc: là tần số sóng mang θ(t): là pha của sóng mang được điều chế
Tín hiệu b(t).p(t) có tốc độ bằng tốc độ chip, nghĩa là T = N.Tc Dạng sóng của các tín hiệu khi N = 7 như sau:
Hình 1.8 Dạng sóng tín hiệu DS/SS v Sơ đồ khối quá trình giải trải phổ như sau:
Hình 1.9 Quá trình giải trải phổ DS/SS – BPSK b(t) p(t
Tại máy thu, tín hiệu thu được m(t) bao gồm tín hiệu phát bị trễ một khoảng thời gian là s(t- τ) và tạp âm trên đường truyền n(t) Do đó tín hiệu thu được là: m(t) = s(t- τ) + n(t) = A.b(t- τ).p(t- τ).cos{ 2π f c (t- τ) + θ(t)} + n(t) Để đơn giản quá trình giải trải phổ ta bỏ qua tạp âm Tín hiệu r(t) tại đầu vào bộ lọc thông dải (BPF) là: r(t) = A.b(t- τ).p(t- τ).cos{ 2π f c (t- τ) + θ(t)} 2cos{ 2π f c (t- τ) + θ(t)}
Bộ lọc thông dải của bộ tách sóng loại bỏ các thành phần tần số cao và chỉ giữ lại thành phần tần số thấp u(t) = b(t).p(t) Sau đó, thành phần này được nhân với mã nội tại p(t- τ) được tạo ra ở máy thu đã được đồng bộ
Do p(t- τ) = ±1 nên p t 2 ( -t)=1 Tại đầu ra của bộ nhân sẽ có: x(t) = b(t- τ).p(t- τ).p(t- τ)
Sau đó, tín hiệu này được tích hợp trên một chu kỳ bit để lọc tạp âm Bản tin phát được khôi phục tại đầu ra bộ tích hợp, giống như tín hiệu băng gốc nhưng trễ về mặt thời gian là τ
Thực tế quá trình nén phổ, bên thu sẽ nhận đồng thời tín hiệu s(t) xếp chồng cùng với các tín hiệu sóng mang S t i ( ) ; (i=1,2 N-1) không mong muốn của (N-1) người dùng khác ở cùng một tần số Do đó tín hiệu thu được sẽ là:
Khi giải trải phổ, đầu ra của tín hiệu nhân là:
Do đã chọn p(t), p t i ( ) là các hàm trực giao nên tương quan giữa chúng rất nhỏ Việc nhõn ồ b t p t i ( ) ( ) i với p(t) tương đương với việc trải rộng phổ một lần nữa cho bản tin b t i ( ) đã bị trải phổ trước đây Do đó mật độ phổ của tạp õm ồ b t p t p t i ( ) ( ) ( ) i sẽ rất thấp Vỡ vậy cụng suất của tạp õm giao thoa trong baờng taàn cuỷa tớn hieọu b(t) seừ raỏt thaỏp
Như vậy, ứng với mỗi một kênh sẽ có một mã trải phổ tương ứng Tại máy thu, phổ của sóng mang thông tin hữu ích sẽ co hẹp lại còn phổ của các sóng mang không mong muốn bị trải ra sẽ hạn chế công suất can nhiễu Sử dụng các mã trải phổ này như khóa để thực hiện đa truy nhập CDMA, chống nhiễu và bảo mật cuộc gọi cao
Hình 1.10 Phổ của sóng mang khi điều chế trải phổ và không trải phổ 1.3.1.2 Kỹ thuật DS/SS – QPSK
Kỹ thuật này cho phép giới hạn băng tần cao khi tốc độ mã cho trước QPSK là phương pháp điều chế tổ hợp hai bit dữ liệu thành một ký hiệu điều chế Do vậy mà phương pháp này làm tăng tốc độ truyền dữ liệu lên hai lần với băng cao tần RF cho trước (hay làm giảm băng RF yêu cầu tới một nửa khi tốc độ mã cho trước) Nhưng độ lợi xử lý giảm đi nhiều tương ứng với tỉ lệ loãi bit cao hôn ỉ Quỏ trỡnh trải phổ DS/SS – QPSK :
Hình 1.11 Sơ đồ trải phổ DS/SS – QPSK
Tín hiệu DS/SS – QPSK có dạng: s(t) = s i (t) + S t Q ( ) s i (t) = A.b(t).p i (t).cos[2π f c t + θ(t)]
Khi đó : s(t) = A.b(t) p i (t).cos[2π f c t + θ(t)] + A.b(t) p Q ( )t sin[2π f c t + θ(t)] Như vậy, tín hiệu s(t) có thể nhận 4 trạng thái pha khác nhau và được tổ hợp từ hai thành phần sóng mang lệch pha nhau π /2 Do đó, nó được trải phổ bằng hai mã giả ngẫu nhiên khác nhau là p i (t) và p Q ( )t Tương ứng là hai quá trình trải phổ độc lập với nhau ỉ Quỏ trỡnh giải trải phổ DS/SS – QPSK:
Hình 1.12 Sơ đồ khối giải trải phổ DS/SS – QPSK
+ A.b(t- τ).p t 1 ( -t).p t 2 ( -t).cos[2π f c (t- τ) + θ(t- τ)].sin[2π f c (t- τ) +θ(t- τ)] ỉ Tương tự như trờn, ta cũng cú kết quả quỏ trỡnh giải trải phổ thứ 2 như sau: è U Q ( )t = A.b(t- τ) sin(2.[2π f c (t- τ) + θ(t- τ)]) +
+A.b(t- τ).p t 1 ( -t).p t 2 ( -t) cos[2π f c (t- τ) + θ(t- τ)].sin[2π f c (t- τ) + θ(t- τ)] ỉ Tớn hiệu tại đầu vào bộ lọc thụng dải (BPF) (bỏ qua tập õm): u(t) = A.b(t- τ) +
+ 2A.b(t- τ).p t 1 ( -t).p t 2 ( -t).cos[2π f c (t- τ) + θ(t- τ)].sin[2πfc(t-τ) + θ(t- τ)] ỉ Tớn hiệu tại đầu ra bộ lọc thụng dải : x(t) = A.b(t- τ)
Tín hiệu x(t) được cho qua bộ tích phân, lấy trong một chu kỳ bit của dữ liệu gốc được tín hiệu thu mong muốn
Có hai phương pháp để sửa lỗi là : mã hóa kênh (sửa lỗi thuận - FEC) và yêu cầu phát lại tự động (ARQ) Trong W-CDMA sử dụng phương pháp mã hóa kênh (FEC) do có băng thông rộng nhờ quá trình trãi phỗ tín hiệu bằng các mã ngẫu nhiên, viêc sử dung phương pháp này có thể làm tăng thêm độ lợi xử lý (so với độ lợi xử lý sau khi trãi phổ) Có ba loại mã kiểm soát lỗi được sử dụng trong W-CDMA là: mã khối tuyến tính (hay cụ thể là mã CRC), mã xoắn và mã Turbo Trong đó mã CRC dùng để phát hiện lỗi, hai mã còn lại dùng để sửa lỗi (mã hóa kênh) ỉ Mó CRC
Mã khối CRC (Cyclic Redundance Check) là bộ mã hóa chia dòng thông tin thành những khối tin (message) có k bit Mỗi tin được biểu diễn bằng một khối k thành phần nhị phân u = (u1,u2, ,un), u được gọi là vector thông tin Có tổng cộng 2k vector thông tin khác nhau Bộ mã hóa sẽ chuyển vector thông tin u thành một bộ n thành phần v = (v1,v2, ,vn) được gọi là từ mã Như vậy ứng với 2k vector thông tin sẽ có 2k từ mã khác nhau Tập hợp 2k từ mã có chiều dài n được gọi là một mã khối (n,k) Tỉ số R = k/n được gọi là tỉ số mã, R chính là số bit thông tin đưa vào bộ giải mã trên số bit được truyền Do n bit ra chỉ phụ thuộc vào k bit thông tin vào, bộ giải mã không cần nhớ và có thể được thực hiện bằng mạch logic tổ hợp Mã vòng là một tập con của mã khối tuyến tính
Mã vòng là phương pháp mã hóa cho phép kiểm tra độ dư vòng (CRC –
Cyclic Redundance Check) và chỉ thị chất lượng khung ở các khung bản tin ã Mó húa mó vũng (n,k) dạng hệ thống gồm ba bước :
(1) Nhân đa thức thông tin u(x) với xn-k
(2) Chia xn-k.u(x) cho đa thức sinh g(x), ta được phần dư b(x)
(3) Hình thành từ mã b(x) + xn-k
Tất cả ba bước này được thực hiện bằng mạch chia với thanh ghi dịch (n- k) tầng có hàm hồi tiếp tương ứng với đa thức sinh g(x) ã Nguyờn lý hoạt động :
Cổng đóng cho thông tin qua mạch, k chử số thông tin u0, u1, ,un-k được dịch vào mạch từ thiết bị đầu cuối để nhân trước u(x) với xn-k Ngay sau khi thông tin được đưa vào mạch thì n-k chữ số còn lại trong thanh ghi là những con số kiểm tra chẵn lẻ
Cắt đứt đường hồi tiếp bằng cách điều khiển cho các cổng gi hở (không cho thông tin qua)
Truy nhập gói
1.4.1.Tổng quan về truy nhập gói trong W-CDMA
Truy nhập gói trong W-CDMA cho phép các vật mang không phải thời gian thực sử dụng động các kênh chung, riêng và dùng chung Việc sử dụng các kênh khác nhau được điều khiển bởi bộ lập biểu gói PS (Packet Scheduler) Bộ lập biểu gói thường được đặt ở RNC vì tại đây việc lập biểu gói có thể thực hiện hiệu quả cho nhiều ô, ngoài ra ở đây cũng xem xét các kết nối chuyển giao mềm
Bộ lập biểu gói có các chức năng chính sau :
- Phân chia dung lượng của giao diện vô tuyến giữa các người sử dụng
- Phân chia các kênh truyền tải để sử dụng cho truyền dẫn số liệu của từng người sử dụng
- Giám sát các phân bổ gói và tải hệ thống
1.4.2.Lưu lượng số liệu gói
Truy nhập gói sử dụng cho các dịch vụ không theo thời gian thực, nhìn từ quan điểm giao diện vô tuyến nó có các thuộc tính điển hình sau :
- Số liệu gói có dạng cụm, tốc độ bit yêu cầu có thể biến đổi rất nhanh
- Số liệu gói cho phép trễ lớn hơn các dịch vụ thời gian thực Vì thế số liệu gói là lưu lượng có thể điều khiển được xét theo quan điểm mạng truy nhập vô tuyến
- Các gói có thể được phát lại bởi lớp điều khiển kết nối vô tuyến (RLC) Điều này cho phép sử dụng chất lượng đường truyền vô tuyến kém hơn và tỷ số lỗi khung cao hơn so với các dịch vụ thời gian thực ỉ Lưu lượng gúi được đặc trưng bởi cỏc thụng số sau :
- Số cuộc gọi đến phiên
- Thời gian đọc giữa các cuộc gọi
- Số gói trong một cuộc gọi gói
- Khoãng thời gian giữa hai gói trong một cuộc gọi gói
1.4.3 Các phương pháp lập biểu gói
Chức năng lập biểu gói là phân chia dung lượng giao diện vô tuyến khả dụng giữa các người sử dụng Bộ lập biểu gói có thể quyết định tốc độ bit phân bổ và thời gian phân bổ Thuật toán lập biểu gói trong W-CDMA được thực hiện theo hai phương pháp : phân chia theo mã và phân chia theo tần số
Trong phương pháp phân chia theo mã, khi có nhu cầu tăng dung lượng thì tốc độ bit phân bổ cho người sử dụng sẽ giảm đi
Trong phương pháp phân chia theo thời gian biểu dung lượng được dành cho một số ít người theo từng thời điểm, như vậy người sử dụng có thể có tốc độ bit cao nhưng chỉ có thể sử dụng trong thời gian ngắn Trong trường hợp số người sử dụng tăng thì phải đợi truyền dẫn lâu hơn Thực tế quá trình lập biểu gói là sự kết hợp của hai phương pháp trên
1.4.3.1 Lập biểu phân chia theo thời gian
Khi bộ lập biểu phân chia thời gian phân bổ các tốc độ gói, cần xét đến hiệu năng vô tuyến Thông thường các dịch vụ tốc độ bit cao đòi hỏi ít năng lượng bit hơn, vì thế phân chia theo thời gian có ưu điểm là Eb/No thấp hơn Ngoài ra thời gian trễ trung bình trong phương pháp này là ngăn hơn so với phương pháp phân chia theo mã ỉ Nhược điểm chớnh của phương phỏp phõn chia thời gian là :
- Thời gian truyền dẫn ngắn trong khi việc thiết lập và giải phóng kết nối đòi hỏi thời gian dài thậm chí đến vài khung
- Việc sử dụng phân bổ theo thời gian bị hạn chế bởi dải tốc độ cao do hạn chế công suất của MS ở đường lên
- Phương pháp này sử dụng các tốc độ bit cao và tạo ra lưu lượng dạng cụm, điều này dẫn đến sự thay đổi cao ở các mức nhiễu so với lập biểu phân chia theo mã
1.4.3.2 Lập biểu phân chia theo mã
Trong lập biểu phân chia theo mã tất cả người sử dụng được ấn định một kênh khi họ cần chúng Nếu nhiều người sử dụng gói yêu cầu lưu lượng thì tốc độ bit phải thấp hơn ở lập biểu theo thời gian ỉ Cỏc ưu điểm chớnh của phương phỏp này là :
- Trong lập biểu phân chia theo mã, việc thiết lập và giải phóng sẽ gây ra ít tổn thất dung lượng hơn do tốc độ bit thấp và thời gian truyền dẫn lâu hơn Do tốc độ bit thấp việc phân bổ tài nguyên ở lập biểu gói phân chia theo mã đòi hỏi nhiều thời gian hơn ở lập biểu gói phân chia theo thời gian Điều này cho phép dự báo được mức nhiễu
- Lập biểu phân chia theo mã có thể là tĩnh hoặc động Trong lập biểu tĩnh, tốc độ bit được phân bổ duy trì cố định trong suốt thời gian kết nối Trong lập biểu độngs, tốc độ bit có thể thay đổi để phù hợp với lưu lượng gói
- Phương pháp lập biểu này đòi hỏi các khả năng của MS thấp hơn.
Cấu trúc Cell UMTS
Trong suốt quá trình thiết kế của hệ thống UMTS cần phải chú ý nhiều hơn đến sự phân tập của môi trường người sử dụng Các môi trường nông thôn ngoài trời, đô thị ngoài trời, hay đô thị trong nhà được hỗ trợ bên cạnh các mô hình di động khác nhau gồm người sử dụng tĩnh, người đi bộ đến người sử dụng trong môi trường xe cộ đang chuyển động với vận tốc rất cao Để yêu cầu một vùng phủ sóng rộng khắp và khả năng roaming toàn cầu, UMTS đã phát triển cấu trúc lớp các miền phân cấp với khả năng phủ sóng khác nhau Lớp cao nhất bao gồm các vệ tinh bao phủ toàn bộ trái đất; Lớp thấp hơn hình thành nên mạng truy nhập vô tuyến mặt đất UTRAN Mỗi lớp được xây dựng từ các cell, các lớp càng thấp các vùng địa lý bao phủ bởi các cell càng nhỏ Vì vậy các cell nhỏ được xây dựng để hỗ trợ mật độ người sử dụng cao hơn Các cell macro đề nghị cho vùng phủ mặt đất rộng kết hợp với các micro cell để tăng dung lượng cho các vùng mật độ dân số cao Các cell pico được dùng cho các vùng được coi như là các
“điểm nóng” yêu cầu dung lượng cao trong các vùng hẹp (ví dụ như sân bay…) Những điều này tuân theo 2 nguyên lý thiết kế đã biết trong việc triển khai các mạng tế bào: các cell nhỏ hơn có thể được sử dụng để tăng dung lượng trên một vùng địa lý, các cell lớn hơn có thể mở rộng vùng phủ sóng
CHUYỂN GIAO VÀ ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT
Giới thiệu chương
Ở các hệ thống thông tin di động W-CDMA, chất lượng truyền dẫn của đường truyền vô tuyến đối với từng người sử dụng trong môi trường đa người sử dụng phụ thuộc vào tỷ số Eb/No, trong đó Eb là năng lượng bit còn No là mật độ tạp âm trắng GAUS cộng bao gồm tự tạp âm và tạp âm quy đổi từ máy phát của người sử dụng khác Để đảm bảo tỷ số Eb/No không đổi và lớn hơn ngưỡng yêu cầu cần điều khiển công suất của các máy phát của người sử dụng theo khoảng cách của nó với trạm gốc Nếu ở các hệ thống FDMA và TDMA việc điều khiển công suất không ảnh hưởng đến dung lượng thì ở hệ thống W-CDMA việc điều khiển công suất là bắt buộc và điều khiển công suất phải nhanh nếu không dung lương hệ thống sẽ giảm
Từ đó, ta có thể rút ra ảnh hưởng của chuyển giao và điều khiển công suất đến dung lượng hệ thống W-CDMA.
Chuyển giao
Chuyển giao là thủ tục cần thiết đảm bảo thông tin được liên tục trong thời gian kết nối Khi thuê bao chuyển động từ một Cell này sang một Cell khác thì kết nối với Cell mới phải được thiết lập và kết nối với Cell cũ phải được hủy bỏ
2.2.1 Mục đích của chuyển giao
Mục đích của chuyển giao là để đảm bảo chất lượng truyền dẫn đường truyền khi một trạm di động rời xa trạm gốc đang phục vụ nó Khi đó, nó phải chuyển lưu lượng sang một trạm gốc mới hay một kênh mới
Và lý do cơ bản của việc chuyển giao là kết nối vô tuyến không thỏa mãn một bộ tiêu chuẩn nhất định và do đó UE hoặc UTRAN sẽ thực hiện các công việc để cải thiện kết nối đó Khi thực hiện các kết nối chuyển mạch gói, chuyển giao được thực hiện khi cả UE và mạng đều thực hiện truyền gói không thành công Các điều kiện chuyển giao thường gặp là: điều kiện chất lượng tín hiệu, tính chất di chuyển của thuê bao, sự phân bố lưu lượng, băng tần… Điều kiện chất lượng tín hiệu là điều kiện khi chất lượng hay cường độ tín hiệu vô tuyến bị suy giảm dưới một ngưỡng nhất định Chuyển giao phụ thuộc vào chất lượng tín hiệu được thực hiện cho cả hướng lên lẫn hướng xuống của đường truyền dẫn vô tuyến
Chuyển giao do nguyên nhân lưu lượng xảy ra khi dung lượng lưu lượng của Cell đạt tới một giới hạn tối đa cho phép hoặc vượt quá ngưỡng giới hạn đó Khi đó các thuê bao ở ngoài rìa của Cell (có mật độ tải cao) sẽ được chuyển giao sang Cell bên cạnh (có mật độ tải thấp)
Số lượng chuyển giao phụ thuộc vào tốc độ di chuyển của thuê bao Khi UE di chuyển theo một hướng nhất định không thay đổi, tốc độ di chuyển của UE càng cao thì càng có nhiều chuyển giao thực hiện trong UTRAN
Quyết định thực hiện chuyển giao thông thường được thực hiện bởi RNC đang phục vụ thuê bao đó, loại trừ trường hợp chuyển giao vì lý do lưu lượng Chuyển giao do nguyên nhân lưu lượng được thực hiện bởi trung tâm chuyển mạch di động (MSC)
Trình tự chuyển giao gồm có ba pha như trên hình 2.1, bao gồm: pha đo lường, pha quyết định và pha thực hiện
Hình 2.1 Nguyên tắc chung của thuật toán chuyển giao ỉ Đo lường là nhiệm vụ quan trọng trong quỏ trỡnh chuyển giao vỡ hai lý do cơ bản sau: ã Mức tớn hiệu trờn đường truyền dẫn vụ tuyến thay đổi rất lớn tựy thuộc vào fađinh và tổn hao đường truyền Những thay đổi này phụ thuộc vào môi trường trong Cell và tốc độ di chuyển của thuê bao ã Số lượng cỏc bỏo cỏo đo lường quỏ nhiều sẽ làm ảnh hưởng đến tải hệ thống
Pha quyết định chuyển giao bao gồm đánh giá tổng thể về QoS của kết nối so sánh nó với các thuộc tính QoS yêu cầu và ước lượng từ các Cell lân cận Tùy theo kết quả so sánh mà ta có thể quyết định thực hiện hay không thực hiện chuyển giao SRNC kiểm tra các giá trị của các báo cáo đo đạc để kích hoạt một bộ các điều kiện chuyển giao Nếu các điều kiện này bị kích hoạt, RNC phục vụ sẽ cho phép thực hiện chuyển giao ỉ Căn cứ vào quyết định chuyển giao, chuyển giao gồm hai loại như sau:
+ Chuyển giao quyết định bởi mạng (NEHO)
+ Chuyển giao quyết định bởi thuê bao di động (MEHO)
Trong trường hợp chuyển giao thực hiện bởi mạng (NEHO), SRNC thực hiện quyết định chuyển giao Trong trường hợp MEHO, UE thực hiện quyết định chuyển giao Trong trường hợp kết hợp cả hai loại chuyển giao NEHO và MEHO, quyết định chuyển giao được thực hiện bởi sự phối hợp giữa SRNC với
UE Ngay cả trong trường hợp chuyển giao MEHO, quyết định cuối cùng về việc thực hiện chuyển giao là do SRNC Trong đó, RNC có trách nhiệm quản lý tài nguyên vô tuyến (RRM) của toàn bộ hệ thống
Quyết định chuyển giao dựa trên các thông tin đo đạc của UE và BTS cũng như các điều kiện để thực hiện thuật toán chuyển giao Nguyên tắc chung thực hiện thuật toán chuyển giao được thể hiện trên hình 2.1 Điều kiện đầu là các điều kiện thực hiện quyết định của thuật toán dựa trên mức tín hiệu hoa tiêu do UE thông báo ỉ Cỏc thuật ngữ và tham số được dựng trong thuật toỏn chuyển giao:
+ Ngưỡng giới hạn trên: là mức tín hiệu của kết nối đạt giá trị cực đại cho phép thỏa mãn chất lượng dịch vụ QoS yêu cầu
+ Ngưỡng giới hạn dưới: là mức tín hiệu của kết nối đạt giá trị cực tiểu cho phép thỏa mãn chất lượng dịch vụ QoS yêu cầu Do đó mức tín hiệu của nối kết không được nằm dưới ngưỡng đó
+ Giới hạn chuyển giao: là tham số được định nghĩa trước được thiết lập tại điểm mà cường độ tín hiệu của Cell bên cạnh (Cell B) vượt quá cường độ tín hiệu của Cell hiện tại (Cell A) một lượng nhất định
+ Tập tích cực: là một danh sách các nhánh tín hiệu (các Cell) mà UE thực hiện kết nối đồng thời tới mạng truy nhập vô tuyến (UTRAN)
Giả sử thuê bao UE trong Cell A đang chuyển động về phía Cell B, tín hiệu hoa tiêu của Cell A bị suy giảm đến mức ngưỡng giới hạn dưới Khi đạt tới mức này, xuất hiện các bước chuyển giao theo các bước sau đây:
(1) Cường độ tín hiệu A bằng với mức ngưỡng giới hạn dưới Còn tín hiệu B sẽ được RNC nhập vào tập tích cực Khi đó UE sẽ thu tín hiệu tổng hợp của hai kết nối đồng thời đến UTRAN
(2) Tại vị trí này, chất lượng tín hiệu B tốt hơn tín hiệu A nên nó được coi là điểm khởi đầu khi tính toán giới hạn chuyển giao
(3) Cường độ tín hiệu B bằng hoặc tốt hơn ngưỡng giới hạn dưới Tín hiệu A bị xóa khỏi tập tích cực bởi RNC
Kích cỡ của tập tích cực có thể thay đổi được và thông thường ở trong khoảng từ
Điều khiển công suất trong W-CDMA
Khi tất cả các trạm di động phát tín hiệu với cùng công suất (MS), mức công suất thu ở trạm gốc (BS) sẽ khác nhau đối với từng user Phụ thuộc vào khoảng cách giữa BS và các MS Hơn nữa, mức công suất thu cũng dao động nhanh do fading Để duy trì mức công suất thu ở BS, ta phải sử dụng các kỹ thuật điều khiển công suất
Một vấn đề cũng đáng quan tâm, đó là điều khiển công suất thích ứng trong W-CDMA Mục tiêu của việc sử dụng điều khiển công suất là khác nhau trên đường lên và đường xuống Các mục tiêu của điều khiển công suất có thể tóm tắt như sau : ã Khắc phục hiệu ứng gần-xa trờn đường lờn ã Tối ưu dung lượng hệ thống bằng việc điều khiển nhiễu ã Làm tăng tối đa tuổi thọ pin của đầu cuối di động
Như ta đã biết trong mạng điện thoại di động tổ ong hiện nay, trong mỗi một Cell có một trạm BTS, như vậy tất nhiên tại cùng một thời điểm bất kì luôn có một số lượng nhất định Mobile trong Cell muốn thực hiện cuộc gọi của mình và phát tín hiệu tới trạm BTS Nếu như vậy, mobile nào mà càng gần BTS thì tín hiệu của nó tới BTS sẽ mạnh hơn các MS ở xa BTS Và sẽ gây ra nhiễu đối với các MS ở xa này (nhiễu này được gọi là nhiễu gần xa)
Hình 2.3 Hiệu ứng gần - xa (điều khiển công suất đường lên) Để giải quyết vấn đề nhiễu gần xa, người ta phải điều khiển công suất sao cho thỏa mãn điều kiện, công suất của các MS này tới BTS là tương ứng bằng nhau
Trong W-CDMA, điều khiển công suất được thực hiện cho cả đường lên lẫn đường xuống để nâng cao dung lượng, đảm bảo dịch vụ thoại chất lượng cao và các lợi ích khác
Về cơ bản, điều khiển công suất đường xuống có mục đích nhằm tối thiểu nhiễu đến các Cell khác và bù nhiễu do các Cell khác gây ra cũng như nhằm đạt được mức SNR yêu cầu Tuy nhiên, điều khiển công suất cho đường xuống không thực sự cần thiết như điều khiển công suất cho đường lên Hệ thống
WCDMA sử dụng công suất đường xuống nhằm cải thiện tính năng hệ thống bằng cách kiểm soát nhiễu từ các Cell khác Điều khiển công suất đường lên tác động lên các kênh truy nhập và lưu lượng Nó được sử dụng để thiết lập đường truyền khi khởi tạo cuộc gọi và phản ứng lên các thăng giáng tổn hao đường truyền lớn Mục đích chính của điều khiển công suất đường lên nhằm khắc phục hiệu ứng xa-gần bằng cách duy trì mức công suất truyền dẫn của các máy di động trong Cell như nhau tại máy thu trạm gốc với cùng một QoS Do vậy, việc điều khiển công suất đường lên là thực hiện tinh chỉnh công suất truyền dẫn của máy di động
Hệ thống W-CDMA sử dụng hai phương pháp điều khiển công suất khác nhau:
- Điều khiển công suất vòng hở (OLPC)
- Điều khiển công suất vòng kín (CLPC)
+ Điều khiển công suất vòng trong (nhanh)
+ Điều khiển công suất vòng ngoài
Hình 2.4 Các cơ chế điều khiển công suất của WCDMA ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT VÒNG HỞ ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT VÒNG KÍN
2.3.1 Điều khiển công suất vòng hở ( OLPC )
Trạm gốc BTS phát tín hiệu pilot trong kênh pilot thuộc kênh hướng xuống, MS sẽ đo cường độ pilot thu được để đánh giá được suy hao đường truyền và do đó MS sẽ điều khiển công suất phát của mình ở mức cần thiết
Một phương pháp điều khiển công suất là đo sự điều khuếch (AGC-
Automatic Gain Controller) ở máy thu di động Trước khi phát, trạm di động giám sát tổng công suất thu được từ trạm gốc Công suất đo được cho thấy tổn hao đường truyền đối với từng người sử dụng Trạm di động điều chỉnh công suất phát của mình tỷ lệ nghịch với tổng công suất mà nó thu được Có thể phải điều chỉnh công suất ở một dải động lên tới 80 dB Phương pháp này được gọi là điều chỉnh công suất vòng hở, ở phương pháp này trạm gốc không tham gia vào các thủ tục điều khiển công suất
OLPC sử dụng chủ yếu để điều khiển công suất cho đường lên Trong quá trình điều khiển công suất, UE xác định cường độ tín hiệu truyền dẫn bằng cách đo đạt mức công suất thu của tín hiệu hoa tiêu từ BTS ở đường xuống Sau đó, UE điều chỉnh mức công suất truyền dẫn theo hướng tỷ lệ nghịch với mức công suất tín hiệu hoa tiêu thu được Do vậy, nếu mức công suất tín hiệu hoa tiêu càng lớn thì mức công suất phát của UE (P_trx) càng nhỏ
Việc điều khiển công suất vòng hở là cần thiết để xác định mức công suất phát ban đầu (khi khởi tạo kết nối)
2.3.2 Điều khiển công suất vòng kín (CLPC)
Trạm gốc giám sát công suất tín hiệu vô tuyến nhận được từ MS, tính toán, phát bản tin điều khiển mức công suất phát của MS Căn cứ vào cường độ pilot thu được và sự điều khiển công suất của trạm gốc, MS sẽ điều khiển công suất thích ứng tạo ra mức công suất phát của nó một cách chính xác
CLPC được sử dụng để điều khiển công suất khi kết nối đã được thiết lập Mục đích chính là để bù những ảnh hưởng của sự biến đổi nhanh của mức tín hiệu vô tuyến Do đó, chu kỳ điều khiển phải đủ nhanh để phản ứng lại sự thay đổi nhanh của mức tín hiệu vô tuyến
Hình 2.6 Nguyên lý điều khiển công suất vòng kín đường lên
Hình 2.7 Nguyên lý điều khiển công suất vòng kín đường xuống
Trong CLPC, BTS điều khiển UE tăng hoặc giảm công suất phát Quyết định tăng hoặc giảm công suất phụ thuộc vào mức tín hiệu thu SNR tại BTS Khi BTS thu tín hiệu từ UE, nó so sánh mức tín hiệu thu với một mức ngưỡng cho trước Nếu mức tín hiệu thu được vượt quá mức ngưỡng cho phép, BTS sẽ gửi lệnh điều khiển công suất phát (TPC) tới UE để giảm mức công suất phát của UE Nếu mức tín hiệu thu được nhỏ hơn mức ngưỡng, BTS sẽ gửi lệnh điều khiển đến UE để tăng mức công suất phát
Hình 2.8 Cơ chế điều khiển công suất CLPC
Các tham số được sử dụng để đánh giá chất lượng công suất thu nhằm thực hiện quyết định điều khiển công suất như: SIR, tỷ lệ lỗi khung-FER, tỷ lệ lỗi bit BER
Cơ chế CLPC nói trên là cơ chế điều khiển công suất vòng trong và đó cơ chế điều khiển công suất nhanh nhất trong hệ thống CDMA Điều khiển công suất vòng bên ngoài cần thiết để giữ chất lượng truyền thông tại các mức yêu cầu bằng cách thiết lập mục tiêu cho điều khiển công suất vòng kín nhanh Mục đích của nó là cung cấp chất lượng yêu cầu Tần số của điều khiển công suất vòng bên ngoài thường là 10-100Hz Điều khiển công suất vòng bên ngoài so sánh chất lượng nhận được với chất lượng yêu cầu Thông thường, chất lượng được định nghĩa là tỷ lỗi bit mục tiêu xác định (BER) hay Tỷ số lỗi khung (FER).
Giới thiệu chương
Trong bất kì hệ thống thông tin di động nào cũng có hai vấn đề cơ bản cần được quan tâm hàng đầu đó là dung lượng và chất lượng hệ thống Nhưng hai yêu cầu này luôn đối lập nhau Khi dung lượng hệ thống tăng thì chất lượng hệ thống giảm xuống và ngược lại Do đo,ù ý nghĩa quan trọng của việc quy hoạch mạng là cân bằng 2 mặt đối lập này sao cho tài nguyên của hệ thống được sử dụng hợp lí nhất Ngoài ra quy hoạch mạng cũng để có một cái nhìn tổng quan trước khi triển khai hệ thống.
Định cỡ mạng
3.2.1 Quá trình định cỡ mạng
Hình 3.1 Quá trình định cỡ mạng
Hình 3.1 trình bày quá trình định cỡ mạng thông tin di động W-CDMA Đây là pha khởi tạo của quá trình quy hoạch mạng, liên quan đến việc đánh giá các phần tử mạng và dung lượng của các phần tử này Mục đích của định cỡ là đưa ra dự tính về bán kính của Cell, số trạm gốc, và các phần tử mạng khác dựa trên cơ sở các yêu cầu của nhà khai thác cho một vùng mong muốn, để đoán chi phí đầu tư cho dự án Định cỡ phải thực hiện các yêu cầu về vùng phủ, dung lượng và chất lượng phục vụ Việc tính toán dung lượng và vùng phủ phải được xem xét đồng thời do dung lượng và vùng phủ có mối quan hệ chặt chẽ với nhau
Trước tiên, cần tính quỹ năng lượng đường truyền RLB để ước lượng bán kính tối đa của Cell RLB bao gồm các tham số như: tăng ích của anten, suy hao cáp, độ lợi phân tập, dự trữ fading, dự trữ nhiễu Đầu ra của phép tính RLB sẽ là suy hao đường truyền tối đa cho phép, giá trị này được sử dụng để xác định bán kính tối đa của Cell và do đó xác định số Cell yêu cầu
3.2.2 Phân tích quỹ năng lượng đường truyền
3.2.2.1 Quỹ năng lượng đường lên
Dự trữ suy hao do can nhiễu tỷ lệ với lượng tải trong Cell Nếu lượng tải trong Cell của hệ thống càng lớn thì lượng dự trữ can nhiễu yêu cầu càng lớn và vùng phủ sóng của Cell càng nhỏ
Ta có công thức tính hệ số tải :
Tỷ số tín hiệu trên tạp âm khi tính đến hệ số tích cực thoại:
Ta định nghĩa hệ số tải kết nối i như sau :
Tổng công suất thu được của các thuê bao ở máy thu i như sau:
Nếu N người sử dụng ở ô có tốc độ bit thấp (GP>>1), ta có thể viết lại gần đúng phương trình trên:
N N v h = G +b Độ dự trữ can nhiễu với hệ số tải h được xác định theo công thức :
Hình 3.2 là đồ thị biểu diễn các đường cong: đường hệ số tải, đường dự trữ nhiễu và đường suy hao cho phép theo số thuê bao trong Cell
Hình 3.2 Ảnh hưởng của hệ số tải đến dự trữ suy hao đường truyền
Từ hình 3.2 ta thấy, khi số thuê bao sử dụng đồng thời trong Cell tăng, hệ số tải tương ứng tăng theo dẫn đến dự trữ nhiễu tăng Khi hệ số tải tăng thì suy hao cho phép đường truyền giảm xuống Các đường cong theo tốc độ bit khác nhau thì khác nhau, ứng với tốc độ bit 9600 bit/s ta thấy đường hệ số tải và đường dự trữ nhiễu nằm dưới so với tốc độ bit 14400 bit/s Điều này có thể được giải thích như sau: cùng một số lượng người sử dụng, khi tốc độ bit lớn thì lưu lượng tổng sẽ tăng Khi lưu lượng tại máy thu tăng thì nhiễu đồng kênh sẽ tăng Do đó mà dự trữ nhiễu đường truyền tăng theo dẫn đến suy hao đường truyền giảm
Khi số người sử dụng đạt đến một giá trị nhất định (dung lượng cực ) thì hệ số tải bằng 1 và dự trữ nhiễu đạt giá trị vô cùng, suy hao lúc này sẽ cực tiểu (bằng 0) do đó bán kính Cell đạt cực tiểu Do vậy, khi tính toán bán kính theo ta phải xét đến hệ số tải của Cell để có dự trữ nhiễu thích hợp Phân tích hệ số tải là vấn đề quan trọng khi tính toán vì nó ảnh hưởng đến bán kính Cell và số Cell trong tính toán về vùng phủ
3.2.2.2 Quỹ năng lượng đường xuống Ở đường xuống có thể đánh giá tải trên cơ sở thông lượng bằng cách sử dụng tổng các tốc độ bit được phân bổ thông qua hệ số tải như sau :
K : là số kết nối đường xuống gồm cả kênh chung
Ri : là tốc độ bit của người sử dụng thứ i Rmax : là thông lượng cho phép của cell Cũng có thể đánh giá tốc độ bit của thuê bao cùng với các giá trị Eb/N0 như sau :
G Pi = B/R i : là độ lợi xử lý của thuê bao i
R i : tốc độ bit của thuê bao i b : là hệ số nhiễu trung bình a : là hệ số trực giao trung bình của Cell
Hình 3.3 biểu diễn các đường hệ số tải, đường dự trữ nhiễu và đường suy hao cho phép ở đường xuống
Hình 3.3 Ảnh hưởng của hệ số tải đến dự trữ nhiễu
Hình 3.3 cho thấy sự phụ thuộc của hệ số tải, dự trữ nhiễu và suy hao cho phép vào số người sử dụng Khi số người sử dụng tăng lên, ứng với các tốc độ bit khác nhau thì sự thay đổi của đường hệ số tải, đường dự trữ nhiễu và đường suy hao cho phép cũng khác nhau
Kết quả hình 3.3 cho thấy, khi tốc độ bit 9600 bit/s thì hệ số tải, dự trữ nhiễu đều thấp hơn khi tốc độ bit 14400 bit/s, nhưng suy hao cho phép lại lớn hơn Cùng phục vụ một số các thuê bao, tốc độ bit càng lớn thì dự trữ nhiễu phải lớn
Như vậy, dung lượng ở đường xuống bị giới hạn bởi tải, khi hệ số tải đạt cực đại bằng 1 thì dự trữ nhiễu lớn vô cùng
Suy hao đường truyền cực đại
Để tính tổn hao cực đại cho phép ta sử dụng công thức sau : min a m b c b h
La : Tổn hao đường truyền cho phép
Pm : Công suất phát xạ hiệu dụng của MS
Pmin : Cường độ tín hiệu tối thiểu yêu cầu
Gb : Hệ số khuếch đại của Anten phát BS
Lc : Tổn hao cáp Anten thu BS
Lb : Tổn hao cơ thể
Lh : Tổn hao truy nhập tòa nhà
N0 : Tạp âm nền của BS
Fb : Hệ số tạp âm máy thu
R : Tốc độ bit (bps) Eb/N0’ : Độ dự trữ cần thiết của anten phát BS
W : Tốc độ chíp Độ lợi xử lý: Gp = 10*lg (W/R)
Lct : Độ dự trữ che tối Cường độ tối thiểu: min 0 b 10 lg b / ' 0 lg p dtn ( )
P = N + F + R + E N - G + L dBm Đồ thị hình 3.4 được vẽ từ công thức (1), với các thông số:
N0= -174dBm/Hz; Lb dB; Pm6 dBm; Gp8 (1228800/9600);
Gp= 1228800/14400=8.533; Lc=2.5 dB; Fb=5 dB; Eb/N’0=6.8 dB; Lct.2 dB;
Ldtn=3 dB(tương ứng với hệ số tải 0.5); Gb dBi
Hình 3.4 biểu diễn suy hao cho phép của đường truyền theo các thông số:
Eb/N’0 và công suất bức xạ của MS tương ứng với hai tốc độ bit 9600 bit/s và
Hình 3.4 Đồ thị tính suy hao cho phép của đường truyền
Hình 3.4 biểu diễn các đường suy hao theo các tốc độ bit khác nhau Khi tốc độ bit 14400 bit/s thì đường suy hao thấp hơn đường suy hao ứng với tốc độ bit là 9600 bit/s Đường suy hao cho phép theo tỷ số EbN’0 giảm khi Eb/N’0 tăng và đường suy hao theo công suất bức xạ tăng khi mà công suất bức xạ tăng Khi Eb/N’0 tăng, nghĩa là BER giảm, giảm tỷ lệ bit lỗi yêu cầu của máy thu như vậy thì chất lượng của dịch vụ tăng lên và suy hoa cho phép giảm xuống mới có thể đáp ứng được Muốn suy hao cho phép của đường truyền tăng thì ta phải tăng công suất phát của MS
Như vậy, khi tính toán suy hao cho phép thì nó phụ thuộc vào nhiều thông số trong đó hai thông số được phân tích ở hình 3.4 là có thể thay đổi trong khi mạng hoạt động Ta có thể thay đổi chất lượng của dịch vụ hoặc công suất phát của MS để đạt được suy hao đường truyền cho phép.
Các mô hình truyền sóng
Công suất bức xạ (dBm)
Trong quá trình quy hoạch mạng, các mô hình truyền dẫn được sử dụng để tính toán cường độ tín hiệu của một máy phát trong vùng tính toán Sự truyền lan sóng vô tuyến từ máy phát đến máy thu tính toán không đơn giản vì nhiều trở ngại và chịu ảnh hưởng của các yếu tố môi trường tác động Trong điều kiện đó sử dụng mô hình thực nghiệm để tính toán suy hao đường truyền có hiệu quả hơn
Những mô hình này sử dụng các tham số tự do và các hệ số hiệu chỉnh khác nhau có thể điều chỉnh bằng số liệu đo.Phần này ta phân tích hai mô hình truyền sóng: Hata- Okumura và Walfisch- Ikegami để áp dụng trong tính toán bán kính cell
Khi bán kính Cell lớn hơn 1Km thì các giá trị dự đoán ở mô hình Hata rất gần mô hình Okumura Mô hình này thích hợp với hệ di động tế bào lớn
Trong mô hình này, ban đầu suy hao đường truyền được tính bằng cách tính hệ số hiệu chỉnh anten cho các vùng đô thị là hàm của khoảng cách giữa trạm gốc, trạm di động và tần số Kết quả được điều chỉnh bằng các hệ số cho độ cao anten trạm gốc và trạm di động
Công thức tiêu chuẩn được sử dụng trong mô hình Hata-Okumura để xác định tổn hao trung bình [1]:
Trong đó : fc : Tần số hoạt động (MHz) (từ 150-1500 MHz)
Lp : Tổn hao cho phép h p : Độ cao anten phát ở trạm gốc (từ 30-200m) hm : chiều cao của anten di động (từ 1-10m)
R : Bán kính Cell (km) a(hm) : Hệ số hiệu chỉnh cho độ cao anten di động (dB)
Dải thông số sử dụng cho mô hình Hata là: 150£ f c £1500MHz
+Hệ số hiệu chỉnh a(hm) được tính như sau [1]:
- Đối với thành phố lớn:
- Đối với thành phố nhỏ và trung bình : a(hm) = (1,1.lgfc – 0,7).hm –(1,56.lgfc –0,8) (dB)
Như vậy bán kính Cell được tính :
Với vùng ngoại ô, tổn hao được xác định theo công thức:
Với vùng nông thôn, tổn hao được xác định theo công thức:
L = L - f + f - dB ỉ Tớnh tổn hao đường truyền từ mụ hỡnh Hata-Okumura với cỏc số liệu sau:
Tần số fc0 (MHz), Độ cao anten trạm gốc hb0 (m), Độ cao trạm di động hm=1,5 (m) ã Ta cú thuật toỏn:
% Đối với thành phố lớn (f_c>300 MHz) a=3.2*((log10(11.75* H_m))^2)-4.97;
% Đối với thành phố nhỏ và trung bình
L_p = 69.55 + 26.16*log10(f_c) - 13.82*log10(Hb) - a + [44.9 - 6.55*log10(Hb)]*log10(r)
% Đối với vùng ngoại ô L_no= L_p-2*(log10(f_c/28))^2-5.4
% Đối với vùng nông thôn L_nt= L_p-4.78*((log10(f_c))^2)+18.33*(log10(f_c))-40.98
Cho bán kínk Cell biến thiên từ 1 -> 8 Km, ta được hình 3.5 biểu diễn đường suy hao theo bán kính được khảo sát theo mô hình truyền sóng Hata- Okumura
Hình 3.5 Suy hao đường truyền theo bán kính với mô hình Hata
Hình 3.5 biểu diễn bốn đường cong suy hao của bốn vùng: vùng nông thôn, vùng ngoại ô, vùng thành phố lớn và vùng thành phố trung bình và nhỏ Vùng nông thôn có suy hao thấp nhất trong các vùng, đường cong của vùng thành phố lớn gần như trùng với đường cong của thành phố trung bình và nhỏ Suy hao của mỗi vùng phụ thuộc địa hình môi trường truyền sóng của vùng đó
Mô hình này được sử dụng để đánh giá tổn hao đường truyền ở môi trường thành phố cho hệ thống thông tin di động tổ ong ỉ Mụ hỡnh này chứa cỏc phần tử :
+ Tổn hao lan truyền trong không gian tự do ( L f )
+ Tổn hao do tán xạ và nhiễu xạ từ mái nhà đến đường phố ( L rts )
+ Tổn hao nhiễu xạ nhiều vật chắn do các dãy tòa nhà ( L msd )
Sau đây là mô hình các tham số trong Walfisch-Ikegami
Hình 3.6 Các tham số trong mô hình Walfisch-Ikegami
Tổn hao cho phép trong mô hình này được tính như sau [2]:
L cp = L f + L rts + L msd Với tổn hao lan truyền trong không gian tự do được xác định như sau [2]:
Trong đó : fc : Tần số hoạt động (từ 800 - 2000 MHz)
Nhiễu xạ mái nhà phố và tổn hao tán xạ được tính [2]:
W : Độ rộng phố j : Góc đến so với trục phố h r : Độ cao nhà h m : Độ cao Anten trạm di động (từ 1-3m)
Tổn hao nhiễu xạ nhiều vật chắn do dãy các tòa nhà :
* lg * lg 9 * lg msd bsh a d f c
Trong đó: b : khoảng cách giữa các toà nhà dọc theo đường truyền (m)
= ớỡợ < h b : độ cao anten BS (từ 4 - 50m)
K = + ổỗố f - ửữứ + Với thành phố trung bình:
Vậy tổn hao cho phép theo mô hình Walfish – Ikegami :
(32.4 20*lg 20*lg ) ( 0 20*lg 10*lg 10*lg 16.9)
( *lg *lg 9*lg ) cp c m c bsh a d f c
Bán kính cell tính theo mô hình Walf – Ikegami là :
0 10*lg 20*lg 9*lg (30 )*lg 15.5 lg 20 cp bsh m a f c d
= + ỉ Từ cụng thức trờn, tớnh tổn hao đường truyền từ mụ hỡnh Walfisch-Ikegami theo các số liệu sau: fc0 (MHz) ; hm=1,5 (m); hb0 (m) ; hr= 15(m); b= 25(m) ; w (m); j 0 ã Ta cú thuật toỏn:
% bán kính r (km) h_BTS = 30 ; h_MS = 1.5; h_roof; w = 15; b%;
L_rts=-16.9-10*log10(w) + 10*log10(f_c) + 20*log10(h_roof-h_MS ) + L_ori ; L_bsh=-18*log10(1+(h_BTS - h_roof )); k_a = 54; % (h_BTS> h_roof ) k_d = 8; % (h_BTS> h_roof ) k_f =4+ 1.5*(f_c/925- 1) ; % thành phố lớn k_f =4+ 0.7*(f_c/925- 1) ; % thành phố trung bình và ngoại ô
L_msd=L_bsh + k_a + k_d*log10(r) + k_f*log10(f_c)-9*log10(b);
Cho bán kính biến thiên từ 1 -> 8, ta được hình 3.7 biểu diễn các đường suy hao theo bán kính được khảo sát theo mô hình Walfisch-Ikegami
Suy hao đường truyền tăng theo bán kính, khi bán kính tăng thì suy hao đường truyền tăng theo hàm log (R) Trên hình 3.7 là hai đường suy hao của hai vùng khác nhau: vùng thành phố lớn và vùng thành phố trung bình Suy hao đường truyền theo bán kính của hai vùng này gần như bằng nhau do hệ số hiệu chỉnh không có sự thay đổi lớn
Hình 3.7 Suy hao đường truyền theo bán kính với mô hình Walfsch-Ikegami ỉ Từ thuật toỏn và đồ thị hỡnh 3.6 & 3.7, ta cú bảng số liệu tớnh toỏn tổn hao của hai mô hình:
Khu vực so sánh Bán kính Cell (Km) Hata-Okumura Walfisch-Ikegami
Thành phố trung bình và ngoại ô
Ta thấy suy hao đường truyền theo mô hình Walfisch-Ikegami lớn hơn mô hình Hata vì nó có xét đến nhiễu tán xạ, nhiễu vật chắn Do đó khi tính toán bán kính cell ta dùng mô hình Walfisch-Ikegami để tính suy hao.
Tính toán dung lượng
Trong thông tin di động W-CDMA, các thuê bao được chia sẽ cùng nguồn tài nguyên ở giao diện vô tuyến nên không thể phân tích chúng riêng rẽ Các thuê bao ảnh hưởng lẫn nhau nên công suất phát buộc phải thay đổi, sự thay đổi này lại gây ra các thay đổi khác vì vậy toàn bộ quá trình dự tính phải được thực hiện lặp cho đến khi công suất phát ổn định
Ngoài công suất phát, các thông số khác như tốc độ bit và các kiểu dịch vụ được sử dụng cũng đóng vai trò quan trọng trong việc tính toán dung lượng
Trong hệ thống thông tin di động, số người sử dụng cực đại N, ta được tỷ số tín hiệu trên tạp âm ở đầu vào máy thu j như sau :
Trong đó, thành phần thứ nhất ở mẫu nói lên nhiễu của các người sử dụng khác trong cùng cell cũng như đến từ các cell khác, b là hệ số nhiễu từ cell khác, vi là hệ số tích cực tiếng, N0 là mật độ tạp âm nhiệt, W là độ rộng băng tần Biến đổi mẫu trên ta có thể viết :
I 0 là mật độ nhiễu của các người sử dụng khác
Giả sử điều khiển công suất lý tưởng (công suất thu ở tất cả các người sử dụng đều như nhau: Pj=Pi=P) và hệ số tích cực tiếng như nhau cho tất cả các người sử dụng (điều khiển công suất hoàn hảo) ta được :
Giải phương trình (1) cho N ta được:
+ + Phương trình đạt cực đại khi bỏ qua thành phần thứ hai : max
Từ phương trình (2) , nếu xét đến các ảnh hưởng khác như: phân đoạn cell, tích cực tiếng, mức độ điều khiển công suất hoàn hảo ta được số người sử dụng cực đại xác định theo công thức sau : max
Trong đó: b là hệ số nhiễu từ các cell khác, h là độ lợi nhờ phân đoạn cell, v là hệ số tích cực tiếng l là hệ số điều khiển công suất hoàn hảo
Khảo sát công thức (3) với các thông số sau:
Eb/N’0=6,8 (dB) ; Gp28800/96008 (R00 bit/s), Gp,33 (R400 bit/s) ; h=1.33, b=0.4 ; v =0.4 ; l=2.5 (dB)
(mỗi đồ thị ta cho một thông số, thay đổi các thông số này lấy giá trị như đã cho) Hình 3.8 biểu diễn đường dung lượng cực theo các thông số: nhiễu từ các cell khác, tỷ số Eb/(N0+I0), sai số điều khiển công suất, hệ số tích cực thoại
Hình 3.8 Ảnh hưởng của các tham số đến dung lượng Ảnh hưởng của nhiễu các Cell khác đến dung lượng Ảnh hưởng của E b / (N 0 +I 0 ) đến dung lượng
Sai số điều khiển công suất Tích cực thoại
Hình 3.8 biểu thị đường dung lượng ứng với các tốc độ bit R00 bit/s và R400 bit/s phụ thuộc vào các tham số Tất cả các đường dung lượng nà đều giảm khi các thông số tăng, cụ thể như sau:
+Dung lượng cực hướng lên càng lớn nếu tốc độ dữ liệu thoại càng thấp: dung lượng cực phụ thuộc vào tốc độ mã hoá thoại, đó là quan hệ tỷ lệ nghịch
+Dung lượng hướng lên càng lớn nếu hạ thấp yêu cầu về Eb / (N0 + I0) : đồ thị chứng tỏ rằng nếu giá trị này càng nhỏ thì càng phục vụ được nhiều người dùng hơn
+Dung lượng hướng lên càng lớn nếu giảm nhỏ tích cực thoại: nếu tích cực thoại càng thấp thì nhờ bộ mã hoá thoại tốc độ khả biến , mà tốc độ dữ liệu thoại và công suất có thể càng giảm nhỏ, tương ứng giảm thấp can nhiễu chung
+Dung lượng cực hướng lên càng lớn nếu tỷ lệ can nhiễu ngoài Cell càng giảm, do đó công suất phát của mỗi trạm gốc phải phải đảm bảo cho các MS đồng thời không được phát quá lớn để giảm ảnh hưởng đến các cell khác
+Dung lượng cực hướng lên càng lớn nếu điều khiển công suất càng hoàn hảo
3.5.2 Tính dung lượng hệ thống Để tính toán dung lượng, ta sử dụng một số định nghĩa sau :
- Đơn vị lưu lượng Erlang : Một đơn vị lưu lượng Erlang là một mạch thông tin hoạt động trong một giờ
- Cấp phục vụ (GOS) : Đại lượng biểu thị số % cuộc gọi không thành công đối với hệ thống tiêu hao còn trong hệ thống đợi GOS là số % thuê bao thực hiện sự gọi trở lại
- Hệ thống thông tin hoạt động theo kiểu tiêu hao : Giả thiết về hệ thống mà các thuê bao không hề gọi lại khi cuộc gọi không thành công
- Hệ thống thông tin hoạt động theo kiểu đợi: Giả thiết về hệ thống mà các thuê bao sẽ kiên trì gọi lại cho đến khi thành công
Lưu lượng của một thuê bao A được tính theo công thức sau :
A : Lưu lượng của thuê bao n : Số trung bình các cuộc gọi trong một giờ
T : Thời gian trung bình của một cuộc gọi (s)
Theo số liệu thống kê đối với mạng di động thì n = 1, T = 210s
Lưu lượng Erlang cần cho một thuê bao được tính như sau :
Trong đó : m : Số lần thuê bao sử dụng kênh điều khiển
C Erl : Thời gian sử dụng trung bình của thuê bao Ứng với số kênh điều khiển là NCCH Tra bảng ta sẽ có tổng dung lượng Erlang cần thiết là E tot Tổng số thuê bao được phục vụ được tính như sau: tot total
= E Để phục vụ Stotal thuê bao, ta tính được tổng lưu lượng Erlang cần thiết theo công thức : tota l
Từ giá trị C E r l tra bảng ta sẽ tính được tổng số kênh cần thiết
Với những đặc thù của công nghệ W-CDMA, để xây dựng một bài toán tối ưu trong quá trình định cỡ là rất khó do phụ thuộc vào nhiều tham số khác nhau, ngay cả thông tin dự báo về nhu cầu dung lượng chỉ mang tính tương đối
Kết luận chương
Chương này đã trình bày quá trình quy hoạch mạng W-CDMA: Suy hao đường truyền, định cỡ mạng và tính dung lượng Trong đó, phân tích cụ thể và đưa ra sơ đồ khối quá trình định cỡ, cũng như các công thức tính toán, phân tích quỹ năng lượng đường truyền vô tuyến, bán kính và diện tích Cell, quy hoạch dung lượng và vùng phủ
Ngoài ra, cũng đã đề cập đến 2 mô hình truyền dẫn cơ bản được sử dụng rộng rãi, đó là mô hình Hata-Okumura và Walfisch-Ikegami Những mô hình thực nghiệm này là những phương tiện cơ bản cho việc tính toán suy hao đường truyền Áp dụng phần lý thuyết quy hoạch mạng W-CDMA ở trên để tiến hành quy hoạch cho một vùng cụ thể Phần tính toán thiết kế nay sẽ được trình bày trong chương tiếp theo
TÍNH TOÁN TỐI ƯU SỐ CELL TRONG MẠNG DI ĐỘNG WCDMA
Giới thiệu chương
Quy hoạch Cell trong hệ thống viễn thông là việc phân chia diện tích cần phủ sóng thành những đơn vị Cell, mà tài nguyên vô tuyến ( hay tần số vô tuyến) được tái sử dụng trong các Cell để đáp ứng được dịch vụ cho tất cả thuê bao trong vùng phủ sóng rộng lớn Mục đích của quy hoạch Cell là cho phép tối đa số người sử dụng có thể phát và nhận tín hiệu đạt yêu cầu
Trong chương này, ta sẽ tính số Cell cho một cho một vùng được quy hoạch Quá trình quy hoạch gồm các bước sau:
+ Phân tích nhu cầu về dung lượng của vùng,
+ Tính suy hao cho phép,
Xác định bán kính theo suy hao và theo dung lượng
Từ kết quả đó xây dựng thuật toán tối ưu số cell giữa dung lượng và vùng phủ để xác định lại số Cell.
Nhu cầu về dung lượng và vùng phủ
Việc quy hoạch mạng phải dựa trên nhu cầu về lưu lượng Nhu cầu về lưu lượng là bước đầu tiên cần thực hiện trong quá trình quy hoạch mạng Nhu cầu về lưu lượng có thể thực hiện trên cơ sở xu thế phát triển lưu lượng của các mạng đã được khai thác và dựa vào một số yếu tố như sự phát triển kinh tế xã hội, thu nhập trung bình đầu người, mật độ thoại di động động và các số liệu khác của thị trường cần phục vụ
Ta không thể chỉ quy hoạch mạng cho các dự kiến trước mắt mà cũng cần quy hoạch mạng cho các dự kiến tương lai để khỏi phải thường xuyên mở rộng mạng Ngoài việc dự phòng cho tương lai cũng cho phép mạng cung cấp lưu lượng bổ sung trong trường hợp tăng thuê bao lớn hơn thiết kế hoặc sự thay đổi đột biến tại một thời điểm nhất định v Giả sử một vùng có nhu cầu về lưu lượng như sau:
B ảng 4.1 Nhu cầu về lưu lượng của một vùng cần tính toán
Số thuê bao dự kiến phục vụ
( Km 2 ) Phân loại môi trường
Từ nhu cầu trên về dung lượng và vùng phủ, xác định số cell sao cho đảm bảo về dung lượng và vùng phủ và các yêu cầu về chất lượng Nhu cầu về lưu lượng chỉ là dự đoán về lưu lượng trong một khoảng thời gian, nó có thể thay đổi
Do đó, khi tính toán ta phải tính với hệ số tải khoảng 50% so với nhu cầu lưu lượng hiện tại để đảm bảo hệ thống hoạt động tốt khi lưu lượng tăng lên.
Các thông số của hệ thống
Chất lượng của một hệ thống W-CDMA là kết quả tính toán tối ưu của 3 đặc trưng: vùng phủ sóng, chất lượng dịch vụ và dung lượng phục vụ của hệ thống, ba đặc trưng này có quan hệ chặt chẽ với nhau Người thiết kế hệ thống có nhiệm vụ tính toán cân bằng các đặc trưng trên để tối ưu trên vùng quy hoạch cụ thể Việc cân bằng này sẽ khác nhau cho từng khu vực khác nhau: vùng trung tâm đô thị, vùng đô thị, vùng ngoại ô, vùng nông thôn …
Bán kính ô cho số lieọu 64 kbit/s
Bán kính cho số lieọu 480 kbit/s
Bán kính ơ cho dịch vụ tiếng ỉ B ảng 4.2 Bảng cỏc thụng số khi tớnh toỏn thiết kế hệ thống W-CDMA
Thông số Giá trị Thông số Giá trị
Cấp phục vụ GoS 2% Độ lợi chuyển giao mềm
Số cuộc gọi thử trong giờ bận (BHCA) 1.38 Công suất phát xạ MS
Hệ số khuếch đại anten
Hệ số tớch cực thoại (n ) 0.45 á 1 Tỷ số FER 0.01
Hệ số nhiễu từ các Cell khỏc (b) 0.4 á 0.55 Bề rộng dói tần trói phổ
Tốc độ dữ liệu (R) 9600 Kbit/s Phương sai điều khiển công suất (a )
Thời gian trung bình cuộc gọi 65 s
Tăng ích dãi quạt hóa (mỗi Cell gồm 3 dãi quạt)
Suy hao cáp anten của
Tạp âm máy thu (N b ) 5 dB Tạp âm nền BTS (N 0 ) - 174 dBm/Hz Độ rộng đường phố (W) 15 m Khoảng cách giữa các tòa nhà (b) 25 m Độ cao trung bình giữa các tòa nhà (h r ) 15 m Độ cao của anten MS
(h m ) 1.5 m Độ cao trung bình của anten BTS (h b ) 30 m Góc tới của tia sóng (j) 20 0 Độ dự trữ che tối (L ct ) 10.2 dB
Tổn hao cơ thể/định hướng (L h ) 2 dB Tổn hao truy nhập tòa nhà
(L b ) 10 dB Dự trữ nhiễu (L dtn ) 3 dB
Bảng 4.2 là các thông số được khuyến nghị để sử dụng khi tính toán mạng di động WCDMA, với các thông số trên thì mạng đáp ứng chất lượng của dịch vụ: tốc độ bit: 9600 bit/s, tỷ lệ lỗi khung FER 0,01; tỷ lệ bit lỗi BER 10 - 3
Khi tính toán dung lượng cực sử dụng phương trình tính dung lượng cực sẽ cho phép tính gần đúng dung lượng của hệ thống
Tuy nhiên, các phương trình này không có tham số nào kể đến kích thước Cell, cự ly giữa các Cell Để giải quyết vấn đề trên có hai mô hình thực nghiệm dựa trên dự đoán tổn hao đường truyền như đã trình bày trong chương 3 là mô hình Hata-Okumura và Walfisch-Ikegami
Trong đồ án này sử dụng mô hình Walfisch-Ikegami cho tính toán bán kính Cell vì mô hình này có tính đến ảnh hưởng của các thông số tán xạ, độ rộng phố… gây suy hao đường truyền
Các bước tính toán
Để tính số Cell cho từng khu vực ta dựa vào bảng thống kê các thông số của các khu vực Có hai phương án để tính số cell: dựa vào suy hao cực đại cho phép và sử dụng các mô hình suy hao để tính bán kính Cell, diện tích một Cell từ đó xác định số Cell dựa vào diện tích; tính số Cell dựa vào khả năng dung lượng của Cell và số lượng thuê bao dự kiến phục vụ Kết quả cuối cùng là số Cell cực đại trong hai phương án trên
4.4.1 Tính số Cell theo dung lượng
4.4.1.1 Tính dung lượng cực max 6.8
Kết quả trên cho biết mỗi dải quạt tối đa có 36 người sử dụng Khi tính toán dung lượng thực không vượt quá 75% dung lượng cực, do đó mỗi dải quạt khi tính toỏn cú thể khụng quỏ: 36 * 75% ằ 27 người sử dụng, tra bảng Erlang B ứng với GoS = 2% ứng với 19.265 Erlang
4.4.1.2 Tính hệ số tải và dự trữ nhiễu
N K v h = G +b = + + Dự trữ nhiễu : Ldtn = -10log(1- h)= -10log(1-0,8) = 6.99 dB
BHCA * Số thuê bao * Thời gian trung bình cuộc gọi/3600
-Dung lượng cần kể cả chuyển giao mềm:
Dung lượng cần * Độ lợi chuyển giao mềm(SHOF) $91.7*1.4 = 3488.3 Erlang -Số dải quạt cần (mỗi dải quạt 19,265 Erlang):
3488.3/19.265ằ 265.2 dải quạt -Số Cell cần: (mỗi Cell 3 dải quạt): 265.2/2,55ằ 104 Cell ỉ Độ lợi của dung lượng hỡnh quạt:
Trường hợp sử dụng anten trạm gốc định hướng (có nghĩa anten hình quạt
1200) mỗi anten yêu cầu giám sát chỉ 1/3 số máy di động trong một tế bào tương ứng và vì vậy nhiễu giảm xuống 1/3 Do đó dung lượng toàn bộ hệ thống tăng gấp 3 lần Nếu phần vấu cạnh của anten cũng được xem xét hiệu xuất của nó khoảng 85% và dung lượng được mở rộng thực sự gấp 2,55 lần ỉ Tớnh tương tự cho cỏc vựng cũn lại ta cú bảng số Cell cho từng vựng sau:
B ảng 4.3 Bảng kết quả số cell cho từng vùng tính theo dung lượng
SHOF Dung lượng cần (kể cả SHOF Erlang)
Kết quả bảng 4.3 cho thấy để đảm bảo dung lượng vùng phục vụ cần 208 Cell, điều này có nghĩa là chỉ mới đảm bảo yêu cầu về dung lượng mà chưa tính đến vùng phủ sóng
4.4.2 Tính số Cell theo vùng phủ
4.4.2.1 Tính suy hao đường truyền cực đại cho phép
-Cường độ tín hiệu tối thiểu yêu cầu:
Pmin = N T + (Eb/N’0)req + 10logR – 10logW/R + Ldtn
-Suy hao đường truyền cho phép:
Lp = Pm – Pmin + Gb – Lc – Lct – Lh - Lb
Ta sử dụng mô hình Walfisch-Ikemagi h m
L bsh = -18*lg11+ Dh b = -3.75 (dB) ka = 54; kd = 18 ; kf = 4 + 1.5* 1
-Suy hao không gian tự do:
-Nhiễu xạ mái nhà-phố và tổn hao tán xạ:
-Tổn hao vật che chắn:
Lms = Lbsh + ka + kd*lg r + kf*lg f – 9*lg b
Lp = Lf + Lrts + Lms =(91.29+20*lg r)+20.825+(49.232 +18*lg r)
Tính số Cell theo vùng phủ phải dựa vào diện tích cụ thể từng khu vực và bán kính Cell được tính ở trên, ta có: số Cell = diện tích vùng/diện tích Cell Từ phép tính này ta được bảng kết quả sau:
B ảng 4.4 Bảng kết quả tính số Cell theo vùng phủ
STT Tên vùng Số thuê bao Diện tích
Kết quả bảng 4.4 cho thấy để phủ sóng toàn bộ vùng phục vụ 10000 km 2 ta cần
296 Cell, như vậy so với cách tính theo dung lương thì số Cell lớn hơn rất nhiều vì dung lượng dự đoán khá thấp (trung bình 20 thuê bao/km 2 )
4.4.3 Kết quả tính số Cell
Kết quả tính số cell là lấy kết quả lớn nhất từ hai cách tính ở trên Từ kết quả này ta tính lại các thông số: dung lượng cực thực tế của sector, hệ số tải, dự trữ nhiễu, suy hao cho phép, bán kính Cell Ta có bảng kết quả sau:
B ảng 4.5 Bảng kết quả tính số Cell theo vùng phủ
Hệ số tải Dự trữ nhiễu (dB)
Suy hao cho phép (dB)
Kết quả bảng 4.5 cho thấy số Cell cần cho toàn bộ vùng phục vụ là 296 Cell, đảm bảo cả yêu cầu về dung lượng và vùng phủ Với kết quả này thì dung lượng có thể tăng lên trong tương lai mà hệ thống vẫn có khả năng phục vụ vì hệ số tải còn rất thấp Tuy nhiên, điều này làm lãng phí trong đầu tư để giảm số Cell ta tối ưu theo thuật toán tối ưu giữa vùng phủ và dung lượng.
Tối ưu số Cell giữa vùng phủ và dung lượng
Khi thiết kế mạng di động CDMA phải đảm bảo về chất lượng các dịch vụ, dung lượng và vùng phủ Trong quá trình tính toán ta giả thiết dung lương các Cell bằng nhau nhưng thực tế thì dung lượng mỗi cell là khác nhau Một khu vực có thể có diện tích lớn hơn diện tích của một Cell được tính nhưng dung lượng thấp hơn dung lượng được tính thì lúc này ta phải điều chỉnh lại bán kính của cell này để đảm bảo về cả dung lượng và vùng phủ Việc điều chỉnh này dựa trên cơ sở phân tích hệ số tải của mỗi cell để điều chỉnh các thông số của Cell Để xây dựng một bài toán tối ưu trong quá trình định cỡ phụ thuộc vào nhiều tham số khác nhau, ngay cả thông tin dự báo về nhu cầu dung lượng chỉ mang tính tương đối Do vậy, chúng ta chỉ xem xét bài toán gần tối ưu và đây là một quá trình lặp hệ số tải Ở bước lặp, khởi tạo hệ số tải bất kỳ, sau đó nó sẽ được giảm dần để cân bằng với hệ số tải thực tế ỉ Ta cú sơ đồ thuật toỏn tối ưu Cell như sau:
Hình 4.1 Sơ đồ thuật toán tối ưu số Cell giữa dung lượng và vùng phủ ỉ Giải thớch thuật toỏn:
Ban đầu ta tính số Cell theo dung lượng và vùng phủ với hệ số tải cho trước h = c 0.5 (tương ứng với dự trữ nhiễu là 3 dB), kết quả số Cell=max{số Cell tính theo dung lượng, số cell tính theo vùng phủ} Từ kết quả số cell, phân tích theo dung lượng xác định số thuê bao trong mỗi cell từ đó tính lại hệ số tải h t So sánh h c và h t , nếu h c khác h t thì tăng hoặc giảm h c và tính lại dự trữ nhiễu, suy hao cho phép, bán kính cell, số cell theo vùng phủ cho đến khi h c = h t thì kết thúc ỉ K ết quả thuật toỏn :
B ảng 4.6 Bảng kết quả số Cell tối ưu giữa vùng phủ và dung lượng
Dung lượng cực thực tế (User/sector)
Hệ số tải Dự trữ nhiễu (dB)
Suy hao cho phép (dB)
+ K ết luận: từ kết quả bảng 4.6 ta thấy số Cell sau khi tối ưu giảm 7 Cell so với khi chưa tối ưu nhưng vẫn đảm bảo các yêu cầu về dung lượng và vùng phủ khi tính toán, tiết kiệm được chi phí đầu tư và kinh tế hơn khi đưa mạng vào lắp đặt Vậy trong quy hoạch mạng di động W-CDMA vấn đề về tính toán dung lượng và vùng phủ phải đi liền với nhau.