đánh giá tác động của hệ thống gsm đến thiết bị hỗ trợ nghe trong khu vực đô thị

Thông tin chungĐể có được kết quả kiểm tra toàn diện về tác động của các bộ phát GSM đến thiết bị trợ thính hearing aid cần các kết quả trong phòng thí nghiệm về tác động lênngười sử dụn

TIỂU LUẬN MÔN HỌC TƯƠNG THÍCH ĐIỆN TỪ

Đề tài:

ĐÁNH GIÁ TÁC ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG GSM ĐẾN THIẾT BỊ HỖ TRỢ NGHE

TRONG KHU VỰC ĐÔ THỊ

MỤC LỤC

1 Giới thiệu chung

2 Các điều kiện, giả thiết ban đầu

3 Đặc tính cell: 6

3.1 Quỹ đường truyền RF 6

3.2 Công suất phát MS tối thiểu 6

3.3 Diện tích ảnh hưởng 7

3.5 Tổng xác suất (overall probability) 9

4 Các tình huống - Scenarios 10

4.1 Xe có gắn MS 10

4.1.1 Xe và người đi bộ 10

4.1.2 Tàu hỏa 10

4.2 Bases 11

4.2.1 BS đặt ở vị trí thấp 11

4.2.2 BS đặt ở vị trí cao 11

4.2.3 Vùng phủ tòa nhà 12

4.3 Portables và Transportables 12

4.3.1 Nhà ga 12

4.3.2 Văn phòng 13

4.3.3 Đường phố 14

4.3.4 Tàu hỏa 15

5 Một ngày của các tình huống 15

5.1 Di chuyển hằng ngày từ bên ngoài vào London 15

5.2 Người sống và làm việc tại London 18

5.3 Người nghỉ hưu 19

5.4 Kẹt xe trên đường 19

6 Thảo luận 20

6.1 Khách hàng GSM sử dụng máy trợ thính 20

6.1.1 Các thiết bị cầm tay 20

6.1.2 Các thiết bị trên các phương tiện di chuyển 20

6.1.3 Di động 21

6.2 Các giải pháp 21

6.3 Các nguồn nhiễu khác 22 6.4 Những thay đổi có thể 22

7 Kết luận 23

Tóm tắt (Abstract)

Công nghệ GSM đã ra đời từ những năm 1988 tại Châu Âu và đến nay đã trởthành một trong những tiêu chuẩn phổ biến nhất cho thông tin di động trên phạm vitoàn cầu Hiện nay đã có trên 3 tỷ thuê bao di động GSM trên toàn thế giới Để có thểphát triển như hiện nay, các công ty chế tạo thiết bị đã nghiên cứu và sản xuất cácthiết bị di động, bao gồm cả hệ thống mạng và máy đầu cuối, hoạt động an toàn trongmôi trường, ít gây ảnh hưởng đến sức khỏe của con người cũng như sự hoạt động bìnhthường của các thiết bị khác Trong phạm vi tiểu luận này xin trình bày phác họa vềkhả năng gây nhiễu từ hệ thống trạm thu phát vô tuyến, máy di động đầu cuối GSMđến thiết bị nghe cá nhân thông qua việc mô tả và tính toán phạm vi gây nhiễu trongcác bối cảnh xảy ra của đời sống thường nhật tại thành phố London và các địa bàn phụcận

1 Thông tin chung

Để có được kết quả kiểm tra toàn diện về tác động của các bộ phát GSM đến thiết

bị trợ thính (hearing aid) cần các kết quả trong phòng thí nghiệm về tác động lênngười sử dụng thiết bị đó (hearing aid user) Các kết quả trong phòng thí nghiệm chothấy người nghe sẽ cảm nhận được tác động của nhiễu khi cường độ trường tại một

số hướng lên đến 4V/m

Một ô phủ sóng di động (sau đây gọi là cell) điển hình ở khu vực đô thị được đặctính hóa bằng cách sử dụng quỹ tín hiệu đường truyền (link budget) và một số điềukiện cho trước khác Một số các điều kiện cho trước quan trọng được liệt kê trongphần tiếp theo của tiểu luận này kèm theo các điều kiện riêng lẻ trong từng bối cảnhkhi xem xét đánh giá

Sau khi có được các đặc tính của cell, chúng ta sẽ chọn ra các bối cảnh (scenarios)trong đó người dùng thiết bị nghe sẽ gặp phải tác động của thiết bị phát sóng GSM.Tại mỗi trường hợp, sẽ có kết luận về mức tác động lớn nhất và đáng kể nhất củanhiễu

Từ những trường hợp riêng lẻ đã xét ở trên, chúng ta tiến hành tổng hợp để xâydựng các bối cảnh gần sát với thực tế cuộc sống hàng ngày hơn, với đặc trưng của đôthị như London, chúng ta xây dựng 4 bối cảnh tổng hợp để xem xét tác động của máyphát sóng GSM đến người dùng thiết bị trợ thính (hearing aid user)

2 Các giả thiết, điều kiện ban đầu :

Để tiến hành thực nghiệm và tính toán, cần có một số điều kiện cho trước, cụ thểnhư sau :

- Một trạm gốc thu phát sóng di động GSM (sau đây gọi là BTS) tại trung tâmthành phố có có bán kính phủ sóng 2km, công suất phát của trạm ở mức 4(40W)

- Tất cả các cell hoạt động ở mức 50% dung lượng

- Các bộ thu phát gắn trên xe có khả năng điều khiển công suất để đảm bảo tỷ lệlỗi bit BER ở đường phát lên (up link) là 10-2

- Máy di động gắn trên phương tiện vận tải có công suất ở mức 2 (8W), và máy

di động cầm tay có công suất ở mức 4 (2W), độ lợi của anten là 0 dBi

- Số lượng các thuê bao di động nghiên cứu xem như được phân bố đều thành 2loại : máy gắn trên xe và máy mang theo người

- Số lượng người sử dụng là phân bố đều trong vùng phủ sóng của trạm BTS

- Các bộ thu phát gắn trên xe được đặt trên 3 vòng tròn đồng tâm trong cell vàđược phân bố theo tỷ lệ của khoảng cách từ các bộ thu phát đến trạm gốc

- Số lượng thiết bị trợ thính (hearing aids) sử dụng tại vương quốc Anh làkhoảng 1.5 triệu, ước tính vào khoảng 2.5% dân số

- Độ dài đàm thoại trung bình của mỗi cuộc gọi là 2 phút

3 Đặc tính cell:

3.1 Quỹ đường truyền RF.

Quỹ đường truyền được dựa trên Khuyến nghị GSM 03.30 của ETSI, như sau :

(dBm)

Tham số nhiễu (noise figure) NF = 8 dB

Vì vậy, độ nhạy đầu vào Rx RF tại trạm gốc = -104 dBm

Công suất đẳng hướng = Độ nhạy Rx + Biên nhiễu + suy hao cáp - Độ lợi antenVới Biên nhiễu = 3 dB

Suy hao cáp = 4 dB

Độ lợi anten = 12 dBi

Vì vậy, công suất đẳng hướng = -109 dBm

3.2 Công suất phát MS tối thiểu

định được theo đặc tính tổn hao đường truyền

Xét một Cell điển hình ở trung tâm London có bán kính 2 km và có BS đặt cao2m trên mái nhà của một tòa nhà cao tầng, nằm giữa khu vực thành thị đông đúc và cócùng chiều cao so với chung quanh (60m) Với anten thu có chiều cao 2m và tần số

900 Mhz, tổn hao đường truyền có thể tính được từ phương trình (3.25) trong Ref.7

Lpath = 69.55 + 26.16 log f – 13.82 log ht – A(hτ) + (44.9 - 6.55loght)log dpath (dB)

hr : chiều cao anten thu (2m)

Phương trình trên đơn giản thành

Lpath = 121 + 33 log dpath (dB)

Như vậy, một cell có thể được biểu thị bằng một vùng chắn (intercept) 1 km độlợi 121 dB và tổn hao đường truyền có độ dốc γ=3.3 Theo đó, công suất phát tối thiểucần thiết từ MS để duy trì BER=10-2 sẽ là:

27 + 33 log 1.5 = 32.8 dBm (1.9 W) với dpath = 1.5 km

27 + 33 log 2 = 36.9 dBm (4.9 W) với dpath = 2 km

Những công suất trên là công suất bức xạ hiệu dụng (ERP) của MS

Tuy nhiên, từ việc tính tổn hao đường truyền dẫn đến kết quả công suất phát hiệudụng ERP từ trạm di động nên ta có thể bỏ qua thông số độ lợi anten (G), nghĩa làG=1.

Qua các thí nghiệm về nhiễu (interference) [Ref.5], người ta thấy rằng, mức nhiễu của

với 270o còn lại như Hình 1

Vì vậy Atổng = A1 + A2 = 2.18 Pt (Phương trình 1 – Eq 1)

Hệ thống GSM có thể hoạt động với 3 site cơ sở (base site) trên mỗi cluster,

A1

A2 1.875 Pt

0.3 Pt

quá trình cấp phát phổ sẽ được sử dụng lặp đi lặp lại bởi các nhóm site cơ sở này.Người ta xem như mỗi site cơ sở (BS) sẽ phủ một vùng hình tròn có bán kính 2km.

Hệ thống GSM bắt đầu năm 1991 với việc cấp phát phổ kép (initial duplexspectrum allocation) 5MHz cho mỗi operator trên các băng tần TACS hiện tại Điềunày cho phép có 25 sóng mang 200 kHz, vì vậy sẽ có 25/3= 8 sóng mang cho một BS

và 8 x 8 khe thời gian = 64 kênh vật lý trên một BS với mỗi nhà khai thác (operator)

Giả sử rằng, không có nhiều hơn 8 khe thời gian rỗi cho việc truyền thông tin(traffic), thì 56 kênh vật lý sẽ cho phép duy trì tối đa 112 thuê bao

Do sự phát triển của hệ thống GSM, sự cấp phát TACS hiện tại sẽ được dần

vì thế sẽ có 12.5MHz hay 62 sóng mang 200kHz và vì vậy 62/3=21 sóng mang trênmỗi site cơ sở Số sóng mang này cho phép có 21 x 8 = 168 kênh vật lý và vì vậy có

3.5 Xác suất tổng quát (overall probability)

Người ta thấy rằng, cách tính toán gần đúng khá tốt đối với sự phân bố đều MS(máy di động) có thể đạt được bằng cách coi như các bộ phát được đặt trên ba hìnhtròn đồng tâm và phân bố theo tỉ lệ khoảng cách từ BS đến chúng, vì với 2 vòng trònthì kết quả không chính xác, còn với 4 vòng thì kết quả ít thay đổi so với 3 vòng

Sử dụng cấp phát phổ 10MHz với toàn bộ dung lượng cell dẫn đến kết quả dưới đây:

Diện tích bị ảnh hưởng xung quanh mỗi bộ phát từ phương trình 1 (Eq.1) là:

2.18 x 0.5 = 1.1 m2

2.18 x 1.9 = 4.1 m2

2.18 x 4.9 = 10.7 m2

Giả sử BS có công suất mức 4 - power class 4 - (40W), thì theo phương trình 1, sẽ có

Một máy đầu cuối (MS) tại biên của cell bán kính 2 km đang phát với công

bị nhiễu có bán kính 1.8m

Giả sử khoảng cách giữa người đi trên vỉa hè và xe đi trên đường là 4m, người

sử dụng thiết bị hỗ trợ nghe (the hearing aid user) sẽ không chịu nhiễu từ bộ phát

thì khoảng cách đến ô tô phải gần hơn 3m thì mới bị nhiễu

Người đi bộ trên vỉa hè không chắc sẽ bị nhiễu từ các xe trên đường.

4.1.2 Tàu hỏa

Nếu coi như anten trên nóc tàu gây ra suy hao 10 dB trong toa, thì một điệnthoại công cộng (pay phone) GSM trên tàu có công suất mức 1 (20W) sẽ có bán kínhảnh hưởng trên tàu tương đương với một bộ phát 2W

của tàu bị ảnh hưởng Giả sử người được phân bố đều trên tàu thì xác suất chịu ảnhhưởng nhiễu là 0.012

Nên chú ý rằng, nhiều khảo sát cho thấy máy nghe băng cá nhân (tape player)cũng dễ ảnh hưởng tương đương đến đường truyền AM, và có khả năng có nhiều thiết

bị như vậy trên tàu (commuter train)

Xác suất của nhiễu từ một pay phone trên tàu là 0.012.

4.2 Các loại trạm phát gốc

4.2.1 BS đặt vị trí thấp

theo phương trình 1

Giả sử người được phân bố đều trong một cell thì xác suất bị nhiễu của người

tích của cell bán kính 2 km là 12.6 km2

Xác suất của nhiễu từ một base site khi đi trên vỉa hè là không đáng kể Nhiễu này được giảm thêm nữa vì BS thường được đặt trên trên đỉnh của các tòa nhà chứ không phải ở dưới mặt đất.

4.2.2 BS đặt vị trí cao.

Nhiều GSM BS được đặt trên đỉnh của các tòa nhà cao tầng, có thể là các tòanhà văn phòng có mật độ người tập trung cao

Giả sử kích thước một khối văn phòng điển hình là 60 x 15 x 15m, và anten BS

sẽ xuyên vào tòa nhà, giả sử anten không bị xoay nghiêng để thay đổi vùng phủ

Mô hình bức xạ thẳng đứng từ anten BS được sector hóa điển hình cho thấy

đến 50 dB, và vì vậy, giả sử có một suy hao 10 dB [Ref.6] vào tòa nhà và thêm 5 dB

từ mái nhà (không cửa sổ) gây ra suy hao nhỏ nhất là 35 dB

Giả sử bộ phát có công suất mức 1 (320W) 55 dBm, thì tương tự như tìnhhuống có một đường truyền 55-35=20 dBm (100mW) vào không gian trống Điều này

(suy hao 65 dB) theo phương thẳng đứng, từ phương trình 1

Do đó không chắc người dùng thiết bị hỗ trợ nghe trong khối văn phòng ngay bên dưới GSM BS sẽ chịu bất cứ nhiễu nào, thậm chí cả khi họ đang đứng tại đỉnh của tòa nhà và BS có công suất mức 1.

4.2.3 Vùng phủ sóng của tòa nhà.

Suy hao hướng vào một tòa nhà là 10dB [Ref.6] và do đó bán kính nhiễu từ BS

có công suất mức 4 (40 W) vào tòa nhà sẽ tương đương với từ bộ phát 4 W vào mộtvùng trống Điều này dẫn đến bất cứ tòa nhà nào trong bán kính 1.7m tính từ BS sẽ có

đủ cường độ trường ở bên trong làm tăng nhiễu đến người dùng thiết bị hỗ trợ nghe

Vì khoảng cách này là không thực tế, nên gần như không có khả năng BS sẽ gây ra nhiễu đến các tòa nhà bên cạnh

4.3 Các thiết bị cầm tay và thiết bị trên các phương tiện giao thông.

4.3.1 Nhà ga:

Những bộ phát GSM cầm tay có thể có công suất mức 4, và do đó sẽ có công

giả sử không có độ lợi anten trong các thiết bị cầm tay, theo phương trình 1

Với diện tích của một đường tàu là 100m x 10m = 1000 m2 và số đường tàu là

hành khách, và tất cả tàu đều đến ga đồng thời vào giờ cao điểm thì sẽ có 1000 x 10 =

10 000 người đến ga cùng lúc trong diện tích 10 000m2, tương đương với 1người/1m2

phân tích giao thông, người ta thấy rằng con số này sẽ tăng lên đến gần 10 triệu tronggiờ làm việc

Vì có 10 000 người trong ga suốt giờ cao điểm (1/8 tổng số người trong cell),giả sử tải của cell là 50% và 50% số cuộc gọi đó từ thiết bị cầm tay thì 28 x 1/8 =3.5cuộc gọi sẽ được thực hiện ở ga tại bất kỳ thời điểm nào trong giờ cao điểm với sự cấpphát 10 MHz

suất một người dùng thiết bị hỗ trợ nghe nằm trong khu vực bị ảnh hưởng là 0.00154,với giả thiết các máy thu phát có công suất mức 4

Khi hệ thống chiếm toàn bộ 25 MHz, số cuộc gọi bắt đầu ở ga từ thiết bị cầm tay tăng

hưởng tăng lên 0.0044

Xác suất nhiễu từ bộ thu phát cầm tay ở ga xe lửa là 0.00154 với cấp phát 10 MHz và 0.0044 với cấp phát 25 MHz.

4.3.2 Văn phòng

Người ta thấy rằng với 80 000 người trong cell bán kính 2km, và vì thế, vớicell chịu tải 50% và cấp phát 10MHz, 28 trong số này (1 trong 2800) sẽ là thiết bị cầm

Vì 1 trong 2800 người sẽ dùng bộ phát GSM, 0.36 người trong tòa nhà sẽ phát công

tương đương với 0.016% diện tích văn phòng và vì vậy xác suất nhiễu là 0.00016 vớigiả thiết nhân viên phân bố đều

Với sự cấp phát 25MHz, 1 trong 1000 người sẽ dùng thiết bị cầm tay GSM, và vì vậy

Giả sử điều này biểu thị cho cell chịu tải 50% và hệ thống cấp phát 10MHz thì sẽ có

28 thiết bị cầm tay đang thực hiện phát được phân bố trong 20 000 người (1 trong714)

Vì vỉa hè rộng 3m nên cứ 1.6m sẽ có 1 người và vì vậy cứ trên 1.6 x 714 = 1143m sẽ

có một thiết bị cầm tay Giả sử bộ phát tĩnh và người dùng thiết bị hỗ trợ nghe dichuyển với tốc độ 3km/h (0.83m/s), thì sẽ mất 23 phút để di chuyển giữa các bộ phát.Khi hệ thống chiếm 25 MHz, 1 trong 250 người có thiết bị cầm tay đang thực hiệnphát, vì vậy cứ 400m thì có một bộ phát Với tốc độ 3km/h, người dùng thiết bị hỗ trợ

sẽ mất 8 phút để di chuyển giữa các bộ phát

Nếu bộ phát công suất mức 4 (2W) thì bán kính nhiễu sẽ là 1.2m, theo phương trình 1,

và vì vậy, người dùng sẽ phải đi khoảng 2.4m khi chịu nhiễu Với tốc độ 3km/h, việc

di chuyển sẽ mất 2.9 giây

Vì vậy, thuê bao dùng thiết bị hỗ trợ nghe đi dọc đường London trong giờ cao điểm, cứ 23 phút sẽ chịu nhiễu trong 2.9 giây từ thiết bị cầm tay với hệ thống cấp phát 10MHz và 8 phút với hệ thống 25MHz.

4.3.4 Tàu hỏa

Do có 80 000 người trong cell bán kính 2 km và giả sử 50% dung lượng của

112 kênh bị chiếm bởi thiết bị cầm tay, thì 1 trong 2800 người sẽ mang theo bộ thuphát cầm tay

Giả sử tàu đang chở những người làm việc đến London, có gần 0.36 ngườiđang sử dụng thiết bị cầm tay GSM Nếu đây là bộ phát công suất mức 4 (2 W) thìbán kính nhiễu sẽ là 1.2m, và vì vậy, giả sử bộ phát không ở cuối tàu thì có 0.36 x 2.4

= 0.9m chiều dài tàu (0.9%) sẽ chịu ảnh hưởng Giả sử người phân bố đều, xác suấtnhiễu sẽ là 0.009

Với hệ thống cấp phát 25 MHz, số người sử dụng sẽ tăng lên đến 1 bộ pháttrong 1000 người, và vì vậy, 2.4 % chiều dài tàu sẽ chịu ảnh hưởng và xác suất nhiễutăng lên 0.024

Một lần nữa, có khả năng có nhiều máy nghe băng cá nhân cùng trên tàu vàgây nhiễu tương đương như vậy

Xác suất nhiễu từ thiết bị thu phát cầm tay trên tàu là 0.009 với hệ thống cấp phát 10MHz và 0.024 với hệ thống cấp phát 25MHz.

5 Các tình huống xảy ra trong 1 ngày.

5.1 Di chuyển hằng ngày vào London từ bên ngoài.

Một ngày của người dùng thiết bị hỗ trợ nghe có các tình huống sau:

Di chuyển từ nhà (nông thôn) đến ga xe lửa và trở về 2 x 15 phút = 30 phút

Đi tàu khứ hồi đến London 2 x 1 giờ = 2 giờ

Việc di chuyển ở vùng nông thôn và trong đường ống có thể bỏ qua vì không cónhiễu

Khi di chuyển trên tàu, nhiễu có thể gây ra bởi điện thoại công cộng (pay phone) trêntàu hoặc từ các thiết bị cầm tay Xác suất chịu nhiễu từ hai nguồn này là:

Ptổng = Ppayphone + Pportable + Ppayphone Pportable

=0.021 cho 10MHz

Ptổng = 0.012 +0.024 + 2.88 x 10-4

= 0.036 cho 25MHz Giả sử thời gian trung bình của cuộc gọi là 2 phút và vì thời gian trên tàu là 2 giờ nên

Thời gian bị nhiễu tổng cộng = 120 x 0.021 = 2.5 phút

Số cuộc gọi = 2.5/2 =1.26 cuộc gọi

Thời gian giữa các cuộc gọi = 120/1.26 95 phút

Khi đi trên tàu, với hệ thống cấp phát 10MHz thì cứ 95 phút phải chịu nhiễu trong 2 phút, còn đối với hệ thống cấp phát 25MHz là 56 phút.

Khi ở ga, xác suất tác động của nhiễu là 0.00154 (10MHZ) và 0.0044 (25MHz) Giả

sử chúng ta ở trên tàu trong 30 phút (1800s) và cuộc gọi kéo dài trong 2 phút thì:Thời gian nhiễu tổng cộng = 1800 x 0.00154 = 2.8 giây

Với xác suất nhiễu là 0.0044 (hệ thống 25 MHz) thì thời gian tương ứng giữa các cuộcgọi là 7.6 giờ

Khi ở nhà ga, với hệ thống cấp phát 10MHz thì cứ 22 giờ phải chịu nhiễu trong 2 phút, còn đối với hệ thống cấp phát 25MHz là cứ 7.6 giờ.

Trong phần 4.3.3, với hệ thống 10MHz thì cứ 23 phút chịu ảnh hưởng của một chùm ( burst) nhiễu 2.9 giây, còn với hệ thống 25MHz thì cứ mỗi 8 phút thì phải chịu nhiễu.

Trong suốt 8 giờ ở văn phòng, xác suất nhiễu là 0.00016 với hệ thống cấp phát10MHz và 0.00044 với hệ thống 25MHz Giả sử cuộc gọi kéo dài trong 2 phút thì:

Với xác suất nhiễu là 0.0044 (hệ thống 25 MHz) thì thời gian tương ứng giữa các cuộcgọi là 75 giờ