Trong quyển luận văn này, tôi sẽ trình bày các ảnh hưởng của nhiễu và cách khắc phục cũng như cách quy hoạch hệ thống cell để công suất phát là cực tiểu nhưng dung lượng và chất lượng là
Giới thiệu Luận văn
Giới thiệu đề tài
Ngày nay, sự phát triển của thông tin liên lạc ngày càng phát triển đặc biệt là thông tin di động Hệ thống thông tin di động thế hệ 1G và 2G đã được ứng dụng rộng rãi
CHệễNG1:G IỚI THIỆU L UẬN VĂN
2 nhưng với yêu cầu dung lượng hệ thống ngày càng tăng, cùng với sự gia tăng các dịch vụ số liệu tốc độ cao thì sự ra đời của 1 hệ thống đáp ứng các yêu cầu đó là rất cần thiết Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3 ( 3G : The Third Genertion) sử dụng công nghệ trải phổ băng rộng đã thể hiện những ưu điểm vượt trội về dung lượng và tốc độ dữ liệu đã được nhiều nhà khai thác quan tâm Hệ thống thông tin di động 3G sử dụng công nghệ trải phổ, các thuê bao đều được phát trên chung 1 băng tần rộng, mỗi thuê bao được phân biệt với nhau bằng 1 mã PN ( Pseudo Noise sequence), chỉ những máy thu nào được chỉ định trước mới có thể thu được tín hiệu truyền đi, và tín hiệu này chỉ là nhiễu đối các thuê bao khác do đó hệ thống được gọi là hệ thống đa truy nhập phân chia theo mã CDMA ( Code Division Multiple Access) Chính vì sử dụng cộng nghệ trải phổ nên hệ thống có tính bảo mật khá cao Ngoài ra hệ thống còn có 1 đặc điểm khá quan trọng là điều khiển công suất, mỗi thuê bao được điều khiển chỉ phát công suất ở mức thích hợp nhằm tránh gây nhiễu cho các thuê bao khác và chính vì điều này cũng giúp tăng tuổi thọ của pin, thời gian chờ và đàm thoại Máy điện thoại di động CDMA cũng có thể sử dụng pin nhỏ hơn, nên trọng lượng máy nhẹ, kích thước gọn và dễ sử dụng
Ngòai ra, thế hệ di động 3G phải đảm bảo sự phát triển liên lục của thế hệ 2G, nên hệ thống tiêu chuẩn IMT-2000 chấp nhận 2 đề án chính là W-CDMA và CDMA2000, trong đó W-CDMA là bước phát triển tiếp theo của thế hệ di động thứ hai sử dụng kỹ thuật TDMA: GSM, PDC, IS-136 và CDMA2000 là bước phát triển tiếp theo của thế hệ di động thứ hai sử dụng kỹ thuật CDMA : IS-95 Để thực hiện hệ thống 3G hiệu quả với chi phí đầu tư thấp nhất, quy hoạch cell là một vấn đề quan trọng hàng đầu đối với nhà quản trị mạng Hiện nay, tại Việt Nam, theo dự đóan của các chuyên gia trong lĩnh vực viễn thông thì năm 2006 trở về sau sẽ là “năm của 3G với công nghệ
CDMA” Chính vì vậy mà tôi đã chọn đề tài: “Quy họach cell cho hệ thống thông tin di động CDMA 3G” mà trọng tâm là mạng WCDMA và CDMA2000.
Yêu cầu đề tài
Quy hoạch cell cần đảm bảo vùng phủ, số lượng thuê bao, các loại dịch vụ đặt ra đối với hệ thống W-CDMA và CDMA2000 Khi đó, đầu vào của bài toán là diện tích vùng phủ, tính chất vùng phủ, số lượng thuê bao, tỉ lệ từng loại dịch vụ … sau quá trình tính toán quy hoạch kết quả cho bán kính cell, dung lượng hệ thống, vị trí trạm gốc, công suất trạm gốc và thể hiện chúng lên bản đồ số.
Thực hiện đề tài
Với sự giúp đỡ của cô hướng dẫn, bạn bè, kiến thức hiện có về lập trình, mà đặc biệt là ngôn ngữ Visual Basic và Arcview/Avenue, cũng như tất cả tài liệu hiện có và quá trình tìm hiểu trong 4.5 tháng thực hiện luận văn, tôi chứng minh và dẫn ra được lý thuyết quy hoạch cell, nêu lên các thông số tác động lên bài toán, đề ra thuật giải và viết chương trình mô phỏng, đồng thời so sánh với việc quy họach thực tế ở Việt Nam hiện nay
CHệễNG1:G IỚI THIỆU L UẬN VĂN
Tóm tắt luận văn
Luận văn chia thành 8 chương được giới thiệu lần lượt trước mỗi chương từ tổng quan đến quy hoạch chi tiết và cuối cùng là kết quả tính tóan cụ thể của mạng Nhiệm vụ đặt ra là với dung lượng, dịch vụ và vùng phủ cho trước, chúng ta sẽ tính được bán kính cell, đặt các trạm gốc, công suất phát trạm gốc và vẽ chúng lên bản đồ số Cụ thể nó được phân bố:
Chương 1: Giới thiệu về đề tài Đây là chương quan trong, nó có thể giúp cho người đọc hiể rõ nội dung tổng quát của luận văn
Chương 2: Tổng quan về các mô hình truyền sóng Chương này mô tả chi tiết việc truyền sóng trong thông tin di động, các mô hình cụ thể được ứng dụng trong thông tin di động
Chương 3: Tổng về mạng 3G Trong chương này ta hiểu rõ về các lĩnh vực sau:
3G là gì? Đặc điểm của nó? tại sau ngay nay thế hệ 3G lại phát triển mạnh Đồng thời người đọc còn hiểu thêm về các Chuẩn mạng 3G: WCDMA và CDMA2000
Chương 4: Lý thuyết về Quy Họach Cell trong 3G Đây là chương quan trọng nhất của luận văn, vì qua đây ta sẽ hiểu sâu các vấn đề liên quan đến quy hoạch, các thông số ảnh hưởng trong quy họach và các giá trị tối thiểu, tối đa phải đảm bão trong quy họach
Chương 5: Quy Họach Cell cho 3G Đây là chương tổng quát, nó ứng dụng tất cả lí thuyết đã tìm hiểu trên để đưa vào thực hiện cho một mạng cụ thể
Chương 6: Kết quả mô phỏng Qua quá trình tìm hiểu lí thuyết, xây dựng được giải thuật cụ thể của mạng WCDMA và CDMA2000 Sau đó với sự hỗ trợ của ngôn ngữ lập trình Visual Basic, Arcview/Avenue, và phần mềm xử lí bản đồ số Map info, chúng em sẽ chạy để ra con số cụ thể về các thông số cần có trong quy họach như: số
BTS, số user tối đa,… và đưa lên bản đồ để kiểm tra
Chương 7: Một số biện pháp cải thiện dung lượng từ kết quả mô phỏng Từ kết quả thực tế so sánh với mô phỏng Sau đó đề ra biện pháp tăng dung lượng sao cho hiệu quả nhất
Chương 8: Tổng kết Chương này sẽ tổng kết những phần đã đạt được cũng như các hạn chế của đề tài, đồng thời nêu lên hướng phát triển về sau của luận văn.
Ý nghĩa của Quy họach Cell
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 đó 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
Mô hình truyền sóng vô tuyến
Chương này cho ta hiểu biết về các mô hình truyền sóng trong không gian Các mô hình hiện nay được ứng dụng trong quy hoạch mô hình MacroCell, microCell…
Mô hình truyền sóng là một phần quan trọng trong quy hoạch cell Hiểu được mô hình truyền sóng thực tế giúp ta đánh giá được những suy hao có thể có trong môi trường, từ đó tìm ra những giải pháp khắc phục và lên kế hoạch cho một thiết kế hợp
Mô hình truyền sóng vô tuyến
Suy hao đường truyền
Kênh vô tuyến đặt ra các giới hạn cơ bản trong trong việc thực hiện hệ thống trong thông tin di động Kênh truyền giữa trạm phát và máy thu có thể thay đổi từ đường trực tiếp đơn gian đến đường che chắn nghiêm trọng bởi các toà nhà đồi núi và cây cối Không giống như các kênh hữu tuyến ổn định và có thể dự đoán được, kênh vô tuyến hết sức ngẫu nhiên và khó phân tích Thậm chí tốc độ chuyển động làm ảnh hưởng đến mức độ tín hiệu giảm nhanh chóng khi MS chuyển động trong không gian
Việc mô hình hoá kênh vô tuyến từ trước đến nay luôn là phần khó nhất trong thiết kế hệ thống di động, được thực hiẹn theo phương pháp thống kê, dựa trên đo lường được một cách đặt biệt cho một hệ thống thông tin trong vùng cụ thể nào đó.
Truyền sóng trong hệ thống thông tin di động
Cơ chế truyền sóng điện từ trong hệ thống tin di động có nhiều loại khác nhau nhưng một cách tổng quát có thể xem các hiện tượng phản xạ, nhiễu xạ và tán xạ Hầu hết các hệ thống thông tin di động hoạt động ở các khu vực đông dân cư như thành phố nơi không có đường truyền trực tiếp giữa trạm phát với máy thu, và sự có mặt của các toà nhà cao tầng gây suy hao, nhiễu xạ nghiêm trọng Vì phản xạ từ nhiều vật khác nhau, sóng điện từ truyền theo các đường với các chiều dài khác nhau Sự kết hợp các sóng này tạo nên các hiện tượng fading do đa đường tại các vị trí cụ thể và cường độ sóng giảm khi các trạm máy phát và máy thu tăng
Các mô hình bức xạ đã tập trung vào việc dự đoán cường độ tín hiệu thu trung bình tại những khoảng cách đã cho từ máy phát, cũng như cường độ tín hiệu cụ thể trong không gian Các mô hình bức xạ dự đoán cường độ tín hiệu thu trung bình đối với khoảng cách giữa máy phát và máy thu tùy ý sẽ hữu ích trong việc ước lượng vùng phủ sóng của máy phát được gọi là mô hình tỉ lệ lớn, bởi vì chúng đặc trưng cho cường độ tín hiệu trên khoảng cách lớn giữa máy phát và máy thu ( vài trăm hay nghìn mét) Ngược lại mô hình truyền sóng đặc trưng cho sự thăng giáng nhanh chóng của cường độ trên những khoảng cách ngắn (khoảng vài bước sóng) hay khoảng thời gian nhỏ ( khoảng vài giây) được gọi là mô hình fading.
Truyền sóng trong không gian tự do
Mô hình truyền sóng trong không gian tự do được dùng để dự báo cường độ tín hiệu khi giữa trạm phát và máy thu có đường trực tiếp giữa chúng Các hệ thống thông tin vệ tinh và các đường kết nối viba phải chịu mô hình truyền sóng trong không gian tự do Với mô hình truyền sóng tỷ lệ lớn, mô hình này dự báo công thức thu giảm theo khoảng cách giữa máy phát và máy thu theo quy luật luỹ thừa nào đó Công suất thu được tính như sau Feriis [1]:
CHệễNG2:M ễ HèNH TRUYỀN SểNG Vễ TUYẾN
Gr : Độ lợi anten thu d : Khoảng cách phát và thu
L : Hệ số tổn hao của hệ thống không liên qua đến bức xạ
L=1 chỉ không tổn hao trong phần cứng hệ thống Công thức cho thấy công suất giảm theo bình phương theo khoảng cách hay 20dB/dec t t G
EIRP Đây là công suất bức xạ cực đại vô hướng của anten
Suy hao đường truyền đại diện cho suy hao tín hiệu là giá trị dương được đo bằng dB, có thể đưa hay không giá trị độ lợi anten vào: Suy hao được cho bởi công thức:
Công thức Feriis khi máy thu nằm ở vùng trường xa của anten phát Trường xa của anten phát được định nghĩa là vùng nằm ngoài khoảng cách trường Fraunhofferdf liên quan đến kích thước thẳng lớn nhất của ănten phát Khoảng cách Fraunhoffer được cho bởi công thức:
2 D 2 d f D: kích thước vật lý cực đại của anten (m)
Các mô hình suy hao đường truyền
2.4.1 Mô hình suy hao theo khoảng cách
Các mô hình bức xạ đo lường thực tế và lý thuyết chứng minh công thức sau đây:
PL : Suy hao trung bình giữa máy phát và máy thu với khoảng cách d
PL : Suy hao trung bình tại khoảng cách đo thực nghiệm d o
Bảng 1-2: Hệ số mũ suy hao, được đo đạc trong thực tế và cho theo bảng sau:
Môi trường Mũ suy hao đường truyền
Vô tuyến di động trong thành phố 2.7 -3.5
Di động trong thành phố bị che khuất 3-5 Đường trực tiếp trong toà nhà 1.6-1.8
CHệễNG2:M ễ HèNH TRUYỀN SểNG Vễ TUYẾN
Che khuất trong toà nhà 4-6
Che khuất trong nhà máy 2-3
2.4.2 Mô hình che khuất chuẩn log
Trong mô hình suy hao ta vừa xét ở trên ta không qua tâm đến thực tế rằng có sự khác nhau về môi trường chung quanh giừa hai vị trí khác nhau giữa nơi phát và nơi thu Giá trị đo lường cho thấy tại giá trị bất kỳ d, suy hao đường truyền PL(d) tại vị trí cụ thề là một biến ngẫu nhiên và được phân bố theo chuẩn log đối với giá trị trung bình phụ thuộc vào khoảng cách:
X0 là biến ngẫu nhiên phân bố gauss có trung bìnhB và độ lệch chuẩn (dB) dB dBm t dBm r d P d PL d
Phân bố chuẫn log mô tả ảnh hưởng ngẫu nhiên xuất hiện trên nhiều vị trí đo lường cùng mộ khoảng cách, nhưng mức độ khác nhau trên đường truyền sóng Điều này được xem là che chắn chuẩn log Đơn giản che chắn chuẩn log ám chỉ rằng mức tín hiện đo lường tại khoảng cách d cụ thể có phân bố Gauss Độ lệch chuẩn mô tà sự che chắn Vì vậy ảnh hưởng ngẩu nhiên của che chắn được tính vào khi dùng phân bố
Gauss để ước lượng bởi PL(d) là biến ngẫu nhiên phân bố chuẩn dB về giá trị trung bình phụ thuộc vào khoảng cách, vì thế Pr(d) và hàm Q có thể dùng để xác định xác xuất mức tín hiệu vượt ngưỡng cụ thể
P e r r hay xác xuất tín hiệu thu dưới ngưỡng:
Các mô hình bức xạ ngoài trời
2.5.1 Mô hình HATA_OKUMURA cho Macrocell
Mô hình Hata là bước phát triển tiếp theo của mô hình thực nghiệm Okumura dành cho tần số 150Mhz đến 2000Mhz Hata đưa ra suy hao bức xạ khu vực thành phố như một công thức chuần và các tham số hiệu chỉnh cho việc ứng dụnh cho các trường hợp khác
CHệễNG2:M ễ HèNH TRUYỀN SểNG Vễ TUYẾN
200Mhz) f city (large 1 1 ) 54 1 (lg 29 8 city) small - (medium
Hệ số suy hao : 4.490.655lgh b
Trong đó chiều cao anten trạm gốc:30h b (m)200
Chiều cao ăn ten trạm di động :1h m (m)10
2.5.2 Mô hình WALFISH_LKEGAMI cho Microcell
Hình 2-1 Mô Hình Walfish_Lkegami
Mô hình này dựa vào sự nhiễu xạ trên các cạnh nóc tòa nha khi truyền sóng nơi các toà nhà cao tần liên tiếp
Công thứ suy hao được xác định như sau:
L rts ( rooftop-to-street diffraction): Suy hao nhiẽu xạ trên cạnh nhà ( dB)
Lmsd ( multi-screen diffraction): Suy hao nhiểu xạ đa vách chắn
Thông tin về chiều cao các toà nhà sẽ cho bạn quyết định trong trường hợp LOS hay NLOS
Khi Reciever trong LOS Khi Reciever trong NLOS
Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3
Tổng quan
Thông tin di động thế hệ thứ ba ( 3G – the third generation) là khái niệm quan trọng trong một tập các tiêu chuẩn đề xuất được gọi là Viễn thông Di động Quốc tế
CHệễNG3:H Ệ THỐNG THễNG TIN DI ĐỘNG THẾ HỆ THỨ 3
10 dành cho năm 2000 ( International Mobile Telecommunications for the year 2000 –
Các đặc tả này được Liên minh Viễn thông Quốc tế – ITU xây dựng để xác định một tiêu chuẩn “mọi lúc mọi nơi” dành cho việc liên lạc cá nhân toàn cầu trong tương lai Mục tiêu chính tiêu chuẩn này là tạo ra một hệ thống liên lạc chung có khả năng cung cấp tất cả các dịch vụ như: nhắn tin, thoại, số liệu tốc độ cao, âm thanh, hình ảnh, video … Hệ thống đó được gọi là hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba – hệ thống
IMT-2000 mở rộng đáng kể khả năng cung cấp dịch vụ và bao phủ một vùng rộng lớn các môi trường thông tin liên lạc cá nhân Các nhà xây dựng IMT-2000 mô tả một hệ thống 3G với các dịch vụ liên tục trên phạm vi toàn cầu, một hệ thống chứa đựng tất cả các mạng có dây, nhiều phương thức tiếp cận đến không dây, liên lạc vệ tinh,
3.1.2 Các yêu cầu của mạng 3G : Đặc tả về IMT-2000 là một bản đặc tả thống nhất, cho phép trạm di động đã đăng ký các dịch vụ số liệu tốc độ cao sử dụng một hay nhiều kênh vô tuyến cùng một lúc nhằm đạt được chất lượng và tốc độ dịch vụ Các kênh vô tuyến này nằm trong một mạng có tài nguyên không đổi
3.1.2.1 Đặc điểm chung của mạng 3G
Có tiêu chuẩn toàn cầu
Tương thích với các dịch vụ của IMT-2000 và các mạng cố định khác
Sử dụng một dải tần chung trên phạm vi toàn cầu
Có các đầu cuối kích thước nhỏ gọn
Có khả năng chuyển vùng (roaming) với các mạng khác
Hỗ trợ các dịch vụ và đầu cuối ứng dụng multimedia
Sử dụng phổ tần hiệu quả
Dễ dàng phát triển lên các mạng di động thế hệ kế tiếp
Cung cấp khả năng truyền số liệu tốc độ cao:
2 Mbps cho môi trường cố định ( trong nhà)
384 Kbps khi di chuyển với tốc độ thấp ( đi bộ – nội ô)
144 Kbps khi di chuyển với tốc độ cao ( xe cộ – ngoại ô) Để được xem là một mạng thông tin di động 3G, các mạng phải thỏa mãn các yêu cầu cơ bản sau:
Yêu cầu của mạng vô tuyến
Hỗ trợ tốc độ dữ liệu đến 2 Mbps
CHệễNG3:H Ệ THỐNG THễNG TIN DI ĐỘNG THẾ HỆ THỨ 3
Cho phép hoạt động uyển chuyển trong nhiều môi trường làm việc
Có dung lượng/hiệu quả sử dụng phổ tần lớn
Hỗ trợ các dịch vụ multimedia
3.1.2.2 Yêu cầu của mạng lõi
Phải là mạng dữ liệu gói và hỗ trợ tính di động của IP
Có khả năng chuyển mạng toàn cầu
Hỗ trợ các dịch vụ mạng tiên tiến ( Virtual Home Environment, VPN, LAN)
Có khả năng quản lý chất lượng dịch vụ
Có khả năng cộng tác với mạng 2G
Khả năng hỗ trợ tính di động của địa chỉ IP được hiểu là khả năng duy trì một địa chỉ IP duy nhất cho thiết bị di động khi thiết bị này di chuyển từ vùng này sang vùng khác Với tính năng này, thiết bị di động chỉ có một địa chỉ IP đơn nhất và có thể luôn duy trì các kết nối logic với các dịch vụ trong khi các kết nối vật lý có thể thay đổi ( always connected) Tính di động của địa chỉ IP có thể được cung cấp bởi sự kết hợp giữa tính di động IP của mạng lõi và mạng vô tuyến[4].
Các chuẩn 3G
CDMA2000 là tên gọi của hệ thống CDMA thế hệ thứ ba do cơ quan tiêu của TIA
– Hiệp hội Công nghiệp Viễn thông Hoa Kỳ (Telecommunication Industry
CDMA2000 là một trong những hệ thống mạng thông tin di động trong đặc tả
IMT-2000 về các mạng thế hệ thứ ba Trong đặc tả IMT-2000, CDMA2000 có tên gọi
IMT-2000 MC ( multicarrier) – mạng đa sóng mang CDMA2000 là một khối thống nhất hệ thống vô tuyến và mạng truy nhập, có khả năng hỗ trợ các yêu cầu của mạng
3G, từ các yêu cầu về dịch vụ đến yêu cầu về dải tần sử dụng CDMA2000 có thể được phát lên 3G mà vẫn bảo đảm sự tương thích với nền tảng CDMA sẵn có
Mạng CDMA2000 hỗ trợ đa dạng các dịch vụ của mạng thế hệ thứ ba Các dịch vụ này bao gồm:
Trao đổi dữ liệu từ xa
Các dịch vụ thông minh
CHệễNG3:H Ệ THỐNG THễNG TIN DI ĐỘNG THẾ HỆ THỨ 3
CDMA2000 được tiêu chuẩn hóa trong bản đặc tả IS-2000, mặc dù là một mạng
3G, nhưng có khả năng tương thích ngược với chuẩn IS-95 đang được sử dụng trong các mạng cdmaOne hiện tại Điều này cho phép các nhà khai thác có thể phát triển mềm dẻo các mạng cdmaOne lên mạng CDMA2000
CDMA2000 là chuẩn IMT-2000 đa sóng mang, có nghĩa là hệ thống có khả năng xử lý nhiều sóng mang khác nhau Tuy nhiên, bước khởi đầu của CDMA2000 sử dụng chung một sóng mang 1.25 MHz với mạng cdmaOne hiện tại Cơ chế này được gọi là cấu hình xếp chồng ( overlay configuration) Nhờ vậy, các nhà khai thác có thể phát triển các dịch vụ và hệ thống mới mà vẫn duy trì việc cung cấp dịch vụ cho các khách hàng cdmaOne Khách hàng của mạng cdmaOne vẫn có khả năng sử dụng trong một mạng CDMA2000
CDMA2000 cung cấp một dải rộng các tùy chọn phát triển cho các nhà khai thác để phù hợp với các yêu cầu về tốc độ số liệu khác nhau ( cả chuyển mạch kênh và chuyển mạch gói) từ tốc độ cơ bản của IS-95 là 9.6 Kbps đến hơn 2 Mbps Hệ thống
CDMA2000 cho phép khả năng sử dụng mềm dẻo các sóng mang[4]:
Kích thước từ 1, 3, 6, 9 hay 12 × 1.25 MHz
Hỗ trợ các kỹ thuật anten tiên tiến
Nhiều kích cỡ cell khác nhau
Hỗ trợ dịch vụ số tốc độ cao trong tất cả các kích thước sóng mang
Hỗ trợ các kỹ thuật truyền dẫn khác (B-ISDN, số liệu chuyển mạch kênh tốc độ cao …)
Hệ thống CDMA2000 có thể hoạt động đa dạng trong nhiều môi trường khác nhau với các kích cỡ cell khác nhau:
Ngoài trời – megacell ( bán kính > 35 Km)
Ngoài trời – macrocell ( bán kính 1 – 35 Km)
Trong nhà / ngoài trời – microcell ( bán kính < 1 Km)
Trong nhà / ngoài trời – picocell ( bán kính < 50 m)
CDMA2000 không chỉ hỗ trợ kết nối duy nhất với các mạng CDMA hiện tại theo chuẩn IS-41 mà cũng có khả năng kết nối đến các hệ thống GSM Đây là khả năng quan trọng của CDMA2000 giúp các nhà phát triển có thể triển khai cả một hệ thống ứng dụng cả CDMA2000 và WCDMA đồng thời, mà không gặp phải bất kỳ khó khăn nào
Cơ sở hạ tầng mạng cố định chứa các chức năng dành cho truyền vô tuyến được gọi là mạng truy cập vô tuyến Radio Access Network ( RAN) Những thành phần của
RAN là trạm gốc ( Base Station), nó được gọi là Node-B trong UTMS, và các nút điều khiển Radio Network Controller ( RNC), nó nối RAN với mạng lõi Core Network (
CN) RAN bao gồm tất cả các nhiệm vụ cho việc truyền thông tin trên vô tuyến Do đó
CHệễNG3:H Ệ THỐNG THễNG TIN DI ĐỘNG THẾ HỆ THỨ 3
13 nó có thể cung cấp các giao diện vô tuyến giao tiếp với RAN RAN còn thường được đề cập đến như là hệ thống mạng vô tuyến con Radio Network Subsystem ( RNS)
Mạng lõi ( Core Network CN) là một mạng dài, nó vận chuyển thông tin của người dùng đến địa chỉ mong muốn Do đó, mạng lõi chứa hệ thống chuyển mạch cũng như các cổng giao tiếp với mạng khác chẳng hạn như mạng số dịch vụ tích hợp Integrated
Service Digital Network (ISDN) hoặc Internet Nó cũng bao gồm cơ sở dữ liệu quản lý vị trí, thông tin thuê bao và hóa đơn Thêm đó bộ phận quản lý và bảo trì mạng
(Operation and Maintenance Centre (OMC)), nó nằm trong CN nhưng quản lý cả CN và RAN
Hình 3-1 Kiến trúc cơ bản mạng UMTS
Lý thuyết quy hoạch Cell
Quy hoạch mạng là vấn đề khó khăn và phức tạp, do đó trong chương này sẽ mô tả các yếu tố liên quan đến quy hoạch như: Nhiễu, Bán kính cell, Hệ số Cell Loading, độ dự trữ liên kết ….
Lý thuyết quy hoạch Cell
Khái niệm
Khái niệm cơ bản của 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 Cells 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.
Quá trình Quy hoạch Cell
Quy hoạch Cell không chỉ quy hoạch tần số mà còn nhiều quá trình phức tạp khác
Quá trình quy hoạch Cell bao gồm ước lượng lưu lượng, tính toán số Cells cần phân chia, vị trí đặt của các BTS, và quy hoạch tần số Quy hoạch Cell nằm trong quy hoạch mạng vô tuyến, nên trước tiên ta xem xét quá trình quy hoạch mạng vô tuyến, gồm có bốn bước:
Bắt đầu là bước chuẩn bị ( preparation phase), bước này đặt các yêu cầu cơ bản và thu thập dữ liệu, tiếp theo là bước khởi tạo mạng (initial phase hay còn có tên là network dimensioning hoặc high-level network-planning phase), bước thứ ba là quy hoạch chi tiết mạng vô tuyến (detailed radio-network planning phase), và bước cuối cùng là giám sát và tối ưu mạng (monitoring and optimizing phase)
Quy hoạch mạng vô tuyến cụ thể là một vấn đề rất lớn, phức tạp và khó khăn, đòi hỏi phải có kinh phí lớn của các nhà đầu tư, tập trung nhiều nhà nghiên cứu trên thế giới, và là một quá trình không kết thúc, luôn phải cập nhật, thay đổi theo yêu cầu nhà đầu tư, yêu cầu người sử dụng, thay đổi từng ngày của địa hình … Hãy xem quá trình quy hoạch mạng vô tuyến cụ thể phức tạp như thế nào:
Hình 4-1 Quá trình quy hoạch mạng vô tuyến cụ thể
Với các thông tin dữ liệu vào về vùng phủ và yêu cầu về chất lượng dịch vụ cũng như dung lượng, qua quá trình tính toán, xử lý bằng lý thuyết về kỹ thuật W-CDMA và thiết kế mạng vô tuyến, kết quả dữ liệu ra là số Cells, bán kính Cells, số trạm anten
CHệễNG4:L í THUYẾT QUY HOẠCH C ELL
16 thể hiện lên ở bản đồ số Quá trình Quy hoạch Cell cho hệ thống UMTS (W-CDMA) được thể hiện chi tiết qua sơ đồ sau [1]:
Hình 4-2 Sơ đồ quy hoạch Cell chi tiết Để hiểu và thực hiện từng bước sơ dồ trên chúng ta phải bắt đầu bằng chứng minh lý thuyết, con đường đi đến kết quả trong lý thuyết, tiếp theo là giải thích ý nghĩa từng tham số và tác động của nó để có thể hiểu một cách sâu sắc quá trình quy hoạch Cell, bước cuối cùng là áp dụng vào thực tế cho một vùng quy hoạch xác định.
Đặc Điểm Hệ Thống cell CDMA
Nhiễu đồng kênh ( Cochannel Interference ) trong hệ thống di động tế bào bất kỳ đều là tham số quyết định dung lượng và bán kính Cell của hệ thống, đặc biệt trong
CDMA Chúng ta sẽ xét nhiễu trong đường xuống (Downlink), đường lên ( Uplink) và tác động của chúng lên quỹ đường truyền ( Link Power Budgets)
4.3.1.1 Nhiễu đồng kênh đường xuống Để đánh giá nhiễu đồng kênh đường xuống, cần trước tiên xem xét nhiễu trong cell xuất hiện trong hệ thống chỉ có 1 cell, sau đó tính toán nhiễu ngoài cell xảy ra trong trường hợp tổng quát của hệ thống nhiều cell a Nhiễu trong Cell :
Trong điều kiện lý tưởng sẽ không có nhiễu trong cell đường xuống vì các kênh đường xuống trực giao nhau Tuy nhiên, trong thực tế, do sự truyền đa đường, kênh đường xuống gây nên nhiễu trong cell tại vị trí MS nhận
CHệễNG4:L í THUYẾT QUY HOẠCH C ELL
Giả sử I0,f là mật độ phổ công suất tại MS, bao gồm năng lượng tín hiệu hữu ích và nhiễu đa đường Gọi k hệ số công suất quan hệ của thành phần tín hiệu đa đường, 0
I0,k = mật độ phổ cho đường k = k I0,f
Nếu có K thành phần đa đường:
Bây giờ giả sử rằng có K MS nhận và mỗi MS được thiết lập nhận 1 trong K đường Nếu Ebo là tổng năng lượng bit nhận được từ BTS cho từng kênh đường xuống, năng lượng bit vào MS nhận j là
Ebj = năng lượng cho đường j = j Ebo
Mật độ phổ của nhiễu trong cell lên đường xuống j là Iscj :
Do đó, tỉ số năng lượng tín hiệu trên nhiễu giao thoa tại bộ giải điều chế được thiết lập để nhận tín hiệu đường j là:
N0 : mật độ công suất nhiễu nhiệt
I 0,oc : mật độ công suất giao thoa đồng kênh cell khác
(N0,T)j : tổng mật độ nhiễu giao thoa đường xuống cho kênh j
Nếu MS nhận K đường tín hiệu, tỉ lệ này được tính:
Nếu MS gần BTS, nhiễu trong cell chiếm ưu thế, ta được xấp xỉ
(4.5) với I0,sc là phần mật độ công suất nhận trong cell I0,f giữ vai trò nhiễu Từ đó ta có mật độ công suất hữu dụng cho nhiễu đồng kênh trong cell là:
CHệễNG4:L í THUYẾT QUY HOẠCH C ELL
Ví dụ: Tính nhiễu đồng kênh đường xuống khi không có đa đường (chỉ 1 đường) và khi có 2 đường
Giải: Với K=1, không có tín hiệu đa đường, các kênh trực giao => không có nhiễu trong cell
Với K=2, ta có 1 + 2 =1, suy ra:
Thông thường ta giả sử công suất nhiễu đường xuống bằng công suất đường nhận trực tiếp Nếu đường nhận trực tiếp là k=1 ta có 1 =1/2 và
Vì tổng công suất gồm công suất trực tiếp và công suất đa đường nên trong điều kiện giả sử trên, ta suy ra quan hệ:
Suy ra hệ số công suất trung bình của các đa đường tín hiệu khác:
Tín hiệu nhận được nhiều sector khác hay từ BTS của cell khác được xem như là nhiễu ngoài cell tới MS trong cell Công suất nhiễu này có khuynh hướng dao động và có thể biểu diễn như là biến ngẫu nhiên theo qui luật hàm log, với đơn vị dBW hay dBm, công suất nhiễu là biến ngẫu nhiên thường
Công suất nhiễu (dBm) = 10log10(I i ) = (4.12)
Với i : biến ngẫu nhiên phân bố Gauss
CHệễNG4:L í THUYẾT QUY HOẠCH C ELL
I i :giá trị trung bình công suất nhiễu từ BTS i r i :khoảng cách từ MS đến BTS i
:hệ số truyền công suất
i :biến ngẫu nhiên Gauss trung bình = 0, variance=1
dB :độ lệch chuẩn của dao động = 6 – 13 dB
Nhằm mục đích phân tích nhiễu ngoài kênh, ta cần phân tích sự phân bố của {ri} để xác định giá trị {I i } Trước tiên ta xét ảnh hưởng nhiễu ngoài cell lên MS tại vị trí
(r,i) trong cell theo hình học, ta suy ra khoảng cách tới BTS i là:
Cell đang xét Cell gây nhiễu
Hình 4-3 Biểu diễn hình học nhiễu cell khác đường xuống
Khi cell có dạng lục giác đều (tổ ong), nhiễu cell khác là một vòng nhiễu xung quanh cell có MS đang xét Khoảng cách của các BTS lúc này di là bội số của
Hình 4-4 Nhiễu cell khác lên MS trong cell đang xét dạng lục giác
Ta giả sử suy hao đường truyền tỉ lệ với hệ số suy hao công suất như sau:
(4.15) Suy ra tổng công suất nhiễu ngoài cell: i i i i i i r d r d rd r( , , ) 2 2 2 cos
CHệễNG4:L í THUYẾT QUY HOẠCH C ELL
Pt : Công suất phát của BTS, giống nhau ở các cell
Gọi S là công suất nhận từ BTS đang xét trong trường hợp không nhiễu:
Tỉ số này cho thấy nhiễu đường xuống gây bởi cell ngoài có thể được tính toán dựa vào các chỉ số khoảng cách theo từng ring 1,2,3… đã được biết trước Giá trị đỉnh của
I oc /S (dB) (được vẽ ở hình dưới) như là 1 hàm số theo khoảng cách chuẩn hoá r/R C , và theo hệ số suy hao công suất = 3, 3.5 và 4
Hình 4-5 Quan hệ giữa Ioc/S với góc khi r=0.4RC
Với khoảng cách MS tới BTS là r=0.4RC , hệ số suy hao = 4, ta thấy giá trị đỉnh của I oc /S = - 16.127 dB tại =0 và 60 o Khi r tăng như hình dưới = 0.8R C thì I oc /S = -
* ring cell K ring cell K ring cell K o o o i
CHệễNG4:L í THUYẾT QUY HOẠCH C ELL
Hình 4-6 Quan hệ giữa Ioc/S với góc khi r=0.8RC
Hình 4-7 Tỉ lệ Ioc/S theo hệ số suy hao
Hình trên biễu diễn tỉ lệ Ioc/S theo hệ số suy hao Khi MS gần biên cell, r/R 1, r/RC 0.86, tỉ số Ioc/S=2.5dB Đây được xem như là trường hợp xấu nhất trong tính toán quỹ đường truyền xuống Khi MS gần BTS, nhiễu cell ngoài có thể bỏ qua
4.3.1.2 Nhiễu đồng kênh đường lên : a Nhiễu trong Cell : Đối với kỹ thuật CDMA, tín hiệu phát ra từ tất cả các MSs chiếm cùng một băng thông phổ tại cùng thời điểm Ở đường lên, nhiễu đồng kênh trong Cell đối với một tín hiệu bao gồm tổng chồng chập của các tín hiệu khác trong cell tại bộ thu của trạm gốc Số MS sử dụng đồng thời trong Cell đang thực hiện cuộc gọi ( chính là dung
CHệễNG4:L í THUYẾT QUY HOẠCH C ELL
22 lượng hệ thống) đạt giá trị lớn nhất nếu công suất tại bộ nhận của mỗi máy là như nhau, công suất thu này càng thấp càng tốt khi đáp ứng được điều kiện truyền (đây là mong muốn của mình tiết kiệm công suất, hạn chế nhiễu, sau này ta sẽ thấy muốn dung lượng tăng lên thì công suất nhận ở bộ thu của trạm gốc đối với mỗi máy phải tăng lên) Vì vậy điều khiển động công suất phát của MS là phần chính của thiết kế đường lên Do có điều khiển công suất, đối với M MSs đang hoạt động, tổng công suất nhiễu tại bộ thu của trạm gốc tính trong Cell là :
(4.17) Với S = công suất của mỗi MS tại bộ thu
= hệ số hoạt động của người sử dụng dịch vụ b Nhiễu ngoài Cell :
Hình 4-8 minh họa hình học nhiễu ngoài Cell trên đường lên Giả sử các Cell có kích cỡ bằng nhau, sử dụng điều khiển công suất và mô hình truyền sóng bậc 4, nhìn vào hình vẽ công suất phát của MS M tỉ lệ với[1] :
Công suất thu tại trạm gốc B Mất mát do khoảng cách truyền sóng = S r 4
Với: r là khoảng cách từ MS M đến trạm gốc B của nó
S là công suất nhận tại trạm gốc B
Như vậy M sẽ gây nhiễu lên trạm gốc B0 đang xét ( khoảng cách là r0 ) một công suất:
Hình 4-8 Mô hình gây nhiễu của MS nằm ngoài Cell
là góc giữa MB và đoạn thẳng d, khoảng cách từ MS đến Cell đang xét là r 0 cho bởi công thức :
CHệễNG4:L í THUYẾT QUY HOẠCH C ELL
Với mục đích phân tích, ta giả sử M MSs trong Cell gây nhiễu là phân bố đều trong
Cell, ta xấp xỉ Cell hình lục giác bởi hình tròn bán kính R, mật độ người sử dụng là:
Tổng công suất nhận tại trạm gốc B 0 của Cell đang xét đối với những MS nằm trong
Cell gây nhiễu có thể xấp xỉ bởi :
(4.21) Trong đó, d =.R, giải tích phân P(d) cho kết quả :
Chúng ta sử dụng hệ tọa độ sector (n,i) để chỉ Cell gây nhiễu bởi chỉ số vòng n (n 1, 2, …), chỉ số i (i = 0, 1, n-1) chỉ Cell thứ i trên vòng thứ n, từ đó khoảng cách Cell gây nhiễu (n, i) được tính :
Hình 4-9 Hệ tọa độ sector (n,i)
Ta có thể chuẩn hóa công suất nhiễu :
CHệễNG4:L í THUYẾT QUY HOẠCH C ELL
Với phương pháp đánh chỉ số (n,i), tổng công suất nhiễu từ tất cả các Cell khác là :
với bán kính Cell bằng R và bằng R c Vậy nhiễu khác Cell bằng :
với bán kính Cell bằng R và bằng Rc
Chú ý: M S là tổng công suất nhận được trong một Cell của trạm gốc
I (oc : other cell và sc : same cell, I : Interference) (4.27)
Trong thực tế gây nhiễu còn do tín hiệu đa đường, nhiễu cộng thêm trên đường truyền… nên người ta thường lấy giá trị = 0.55
4.3.1.3 So sánh dung lượng đơn Cell và đa Cell :
Xét hệ thống chỉ có duy nhất một Cell Bỏ qua nhiễu nhiệt, dung lượng Cell là Mc
(số MSs hoạt động đồng thời trong một Cell), tỉ số tín hiệu trên nhiễu phải đạt yêu cầu:
Xét hệ thống đa Cell M là dung lượng mỗi Cell rõ ràng nhỏ hơn Mc vì có nhiễu ngoài Cell
Với SNR req như nhau trong hai trường hợp, ta có :
CHệễNG4:L í THUYẾT QUY HOẠCH C ELL
Dung lượng đơn Cell và đa Cell quan hệ :
(4.31) Đặt : được gọi là hiệu suất sử dụng lại (reuse efficiency)
Như vậy dung lượng một Cell (trong trường hợp đa Cell) nằm khoảng 65% đến
75% , so với dung lượng một Cell (trong trường hợp đơn Cell) so với trường hợp