Ebook Ăng ten thông minh giải pháp cho thông tin di động trong tương lai: Phần 2

Nối tiếp nội dung của phần 1 cuốn sách Ăng ten thông minh giải pháp cho thông tin di động trong tương lai, phần 2 cung cấp cho người học các kiến thức: Cải thiện chỉ tiêu hệ thống thông tin di động bằng ăng ten thông minh và khả năng triển khai trong thực tế,... Mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết

Chương 2

CẢI THIỆN CHỈ TIÊU CỦA HỆ THỐNG

THÔNG TIN DI ĐỘNG BANG ĂNG TEN THÔNG MINH

VÀ KHẢ NĂNG TRIỂN KHAI TRONG THỰC TẾ

Chương này tập trung vào nghiên cứu hiệu quả khi đưa ăng ten thông minh vào khai thác trong hệ thống di động Việc đánh giá ảnh hường cùa ăng ten thông minh có thể thực hiện theo một

số phương pháp khác nhau vói mức độ chi tiết khác nhau của kết quả như: thử nghiệm hệ thống trên thực tế và tính toán thống kê, hoặc xem xét hệ thống có ăng ten thông minh bằng mô phổng, hoặc thông qua những điều kiện giả thiết và tính toán giải quyết từng bài toán cụ thể

Với một số điều kiện giả thiết nhất định không ảnh hưởng nhiều đến độ chính xác của kết quả, trong phần này sẽ phân tích

và giói thiệu những tính toán cụ thể về khả năng cải thiện dung lượng, chất lượng của hệ thống thông tin di động như GSM và CDMA, đồng thời trình bày một số phương án và hiệu quả ứng dụng ăng ten thông minh vào từng hệ thống để có thể tham khảo cho các hệ thống di động hiện đang tồn tại ở Việt Nam và ở nhiều nước khác

52 Ang ten thông minh

2.1 PHÂN TÍCH KHÁ NÂNG VÀ LỢI ÍCH CỦA ÁNG TEN

THÔNG MINH ĐÔI VỚI HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 2.1.1 Đa truy nhập phân chia theo không gian bằng ăng ten

thông minh

Có thể nói, khả năng đa truy nhập theo khống gian cùa ăng ten thông minh là cơ sả tạo ra các lợi ích của nó Vậy đa truy nhập theo không gian là thế nào?

Trong một hệ thông thông tin vô tuyến, những người đang cùng sù dụng dịch vụ của hệ thống phải được phân biệt với nhau bời kênh cho mồi người, có thể là kênh trong miền tần số, miên thời gian, mã trải phổ, hoặc kết hợp các miền đó, tương ứng có các kỹ thuật đa truy nhập phán chia theo tần số (FDMA), theo thời gian (TDMA) và theo mã (CDMA)

Trong thông tin di động, nhờ có kỹ thuật ăng ten thống minh, khái niệm kênh còn mở rộng ra cả miên không gian Túc

là những người sử dụng có thể sử dụng cùng một kênh thòng tin vật lý như cùng tần số, cùng khe thời gian, cùng mã trài phổ nhưng vẫn được phân tách với nhau nếu có sự khác biệt về không gian Những thông tin về không gian của thuê bao lúc này có giá trị như thông tin về tần số, hoặc thời gian, hoặc mã trài phổ Đó

là cơ sờ cho một kỹ thuật mới gọi là kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo không gian (SDMA)

Kỹ thuật SDMA điều khiển năng lượng phát xạ cho riêng từng người sử dụng theo một không gian hẹp Hình 2.1 là hệ thống SDMA phục vụ nhiều người sử dụng khác nhau bằng các búp sóng hẹp có hướng khác nhau, các hướng còn lại có búp sóng bằng không hoặc gần bằng không

Chương 2: cải thiện chỉ tiêu của hệ thống thông tin di động 53

Hình 2.1 Cơ cấu SDMA, ăng ten trạm gốc lọc theo không gian, phục vụ thuê bao theo từng chùm sóng riêng biệt

SDMA có thể sử dụng ở tất cả các hệ thống thông tin vô tuyến tổ ong, cả số và tương tự Bản thân hệ thống vô tuyến tổ

ong là một minh họa cho SDMA vì chúng cho phép nhiêu người

sử dụng được chia sẻ trên cùng một (hoặc một tập) tần số miễn là những người này ờ các ô đủ cách xa nhau để không có nhiễu

giao thoa đồng kênh Hạn chế của kiểu SDMA này là hệ số tái sử dụng tần số Các ăng ten dẻ quạt có thể được coi là một ứng dụng ban đáu đơn giản cùa SDMA Có rất nhiều sơ đồ SDMA trong

các hệ thống tổ ong hiện nay như: ô mini, ô micrô, ô phân đoạn,

ô dù che và các ăng ten thông minh Đây là các kỹ thuật phân

chia không gian làm tăng độ phân giải không gian đối với các

máy di động, mặc dù phần lớn chúng không mang ý nghía đầy

đủ cùa kỹ thuật SDMA

Các ăng ten thông minh là phát kiến mói nhất trong số các

kỹ thuật cùa thông tin vô tuyến tổ ong, nhờ vào khá năng tạo ra

các búp sóng khá hẹp của ăng ten thông minh, đặc biệt là các

búp sóng của ăng ten thích nghi còn có thể thay đổi linh hoạt

theo điều kiện truyền sóng SDMA sử dụng ăng ten thông minh

54 Ang ten thông minh cho phép nhiều người sử dụng hơn được hò ttợ trong một phổ tin được cấp phát giới hạn Trong tương lai, các hệ thống ăng ten thích nghi sẽ được sử dụng để chia năng lượng đồng thòi theo hướng có nhiều người dùng và rất phù hợp cho cấu trúc trạm gốc TDMA và CDMA

• Lợi ích của SDMA trong thông tin di động

Trong các hệ thống tế bào truyền thống, trạm gốc không có thông tin về vị trí của các máy di động, do đó nó buộc phải phát tín hiệu theo mọi hướng để phủ sóng toàn bộ diện tích ô Điểu này dẫn đến sự lãng phí cả về mặt công suất lẫn mặt truyền dẫn Tương tự, ở phần thu, ăng ten sẽ thu tín hiệu đến từ mọi hướng bao gồm cả tạp âm và nhiêu Điều này được giải quyết nhờ kỹ thuật SDMA, dựa trẽn việc phân tích và khai thác thông tin vé vị trí máy di động

Kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo không gian (SDMA) thực hiện bằng ăng ten thông minh cho phép tăng dung lượng của hệ thống tổ ong bằng cách khai thác sự khác nhau về khàng gian cùa người sử dụng Trong hệ thống có SDMA, trạm gốc không phát tín hiệu trên toàn bộ diện tích ô như trong các kỹ thuật đa truy nhập truyền thống, mà nó tập trung công suất theo hướng cùa máy di động cần truyền và giảm công suất ờ các hướng có các máy di động khác Phần thu cũng áp dụng nguyên tác tương tự

Kỹ thuật SDMA có nhiều ưu điểm khi đưa vào một hệ thống thông tin di động Đặc biệt, mọi thay đổi cần thiết có thể chi giói hạn ờ trạm gốc và không liên quan đến máy di động

Chương 2: cải thiện chỉ tiêu của hệ thống thông tin di động 55 Hơn nữa, kỹ thuật SDMA có thể kết hợp hiệu quả vói các kỹ thuật đa truy nhập khác (FDMA, TDMA, CDMA), và do đó no

có thể được sử dụng trong tất cả các hệ thống thông tin di động đang hoạt động Tất nhiên, cách thức triển khai SDMA và các lợi ích đạt được sẽ khác nhau tuy thuộc vào hệ thống làm nén được triển khai

Trong hệ thống thông tin di động đa truy nhập phân chia theo tần số và theo thời gian, dung lượng hệ thống bị giới hạn bởi hai yếu tố Thứ nhất là do số kênh vồ tuyến (số sóng mang và số khe thời gian) khả dụng Và yếu tố thứ hai là nhiễu đồng kênh, yếu tố này làm giới hạn khả năng sử dụng lại tần số Kỹ thuật SDMA thực hiện bằng ăng ten thông minh cho phép mờ rộng cả hai giới hạn này, do đó tăng được dung lượng hệ thống Việc tăng dung lượng hệ thống có thể đạt được theo hai cách khác nhau:

• Giảm nhiều đống kênh

Việc giảm nhiễu đồng kênh giữa các ô sử dụng cùng một nhóm kênh tần số vô tuyến có thể đạt được bằng cách giảm thiểu tăng ích theo huống có các máy di động gây nhiễu Kỹ thuật này gọi là kỹ thuật lọc không gian để giảm nhiễu (SFIR - Spatial Filtering for Interíerence Reduction), cho phép giảm khoảng cách tái sử dụng tần số và kích thước mẫu tái sử dụng tần số Nhờ đó, mỗi ô có thể được gán số kênh cao hơn, khiến dung lượng tăng lên

• Trực giao không gian

Trong các kỹ thuật truy nhập truyền thống, tính trực giao giữa các tín hiệu gắn vói mỗi người sử dụng đạt được bằng cách phát các tín hiệu này trong các băng tấn khác nhau (FDMA)

56 Áng ten thông minh hoặc các khe thời gian khác nhau (TDMA), hoặc sử dụng các chuỗi mã khác nhau (CDMA) Bằng cách sử dụng dàn ăng ten thông minh, ta có thể tạo ra một cấp trục giao nữa giữa các tín hiệu được phát từ hoặc tới các hướng khác nhau Ta có thể gán cùng một kênh vật lý cho nhiều máy di động khác nhau, khi góc nhìn từ trạm gốc đến các máy đó cách nhau vừa đù Kết quà là

có thể tăng được số kênh khá dụng, do cùng một kênh vật lý có thể chia thành nhiều kênh không gian, mỗi kênh không gian này được gán cho một người sử dụng, từ đó làm tăng dung lượng

Ta thấy rằng vói kỹ thuật lọc không gian để giảm nhiêu (SFIR), cẩn phải quy hoạch lại tần số cho các ỏ mới tạo ra hiệu quả tăng dung lượng, còn với SDMA thì không Do vậy, SDMA

có lợi hơn khi triển khai vào các vùng có nhu cáu lưu lượng lổn

vì không cẩn phân chia lại ô và thay đổi mỉu tái sù dụng tần số Mặt khác, SDMA lại cần nhiều ăng ten hơn so với SFIR Tính trực giao không gian được khai thác thông qua sử dụng lọc không gian đế triệt nhiều đổng kênh và nhiễu nội ô do các máy

di động cùng tần số và trong cùng ô gây ra Số lượng người sử dụng có thể sử dụng chung một kênh, tức là số kênh không gian

có thể phân bổ trong một kênh vật lý được gọi là tăng ích ghép kênh không gian SMG (Spatial Multiplexing Gain) Rõ rang la SMG có quan hệ mật thiết với số phần tử áng ten trong dàn

Chương 2: cải thiện chi tiêu của hệ thống thông tin di động 57

2.1.2 Các lợi ích của ăng ten thông minh

2.1.2.1 Mở rộng vùng phủ

Ảng ten thõng minh làm tăng phạm vi phủ sóng, lấp đáy chỗ

trống và thâm nhập tòa nhà tốt hơn Với cùng công suất phát ra ở

trạm gốc và máy di động, ăng ten thông minh có thể tăng cự ly

phủ sóng nhờ tâng độ lợi của ăng ten trạm gốc do tạo ra được

búp sóng ăng ten hẹp hơn

Ta có công suất đường lên mà trạm gốc nhận được từ thuê

bao di động như sau:

Trong dó:

+ Pr là công suất trạm gốc nhận được;

+ p, là công suất phát của thuê bao;

+ Gs là độ lợi của ăng ten máy di động;

+ Gb là độ lợi cùa ăng ten trạm gốc;

+ PL là suy hao đường truyền

Hệ thống ăng ten thông minh có thể tạo ra một chùm sóng

khác nhau cho mỗi thuê bao ở đường lên và đường xuống, tối

thiểu hóa sự ảnh hưởng cùa nhiễu và xuyên âm cho mỗi thuê bao

và trạm gốc (hình 2.2)

Hình 2.2 Hệ thống ăng ten thông minh tạo cho mồi thuê bao một chùm sóng khác nhau trên đường lên và dường xuống

58 Ang ten thõng minh

ơ đường lên, với cùng một công suất trạm gốc yêu cầu tái thiểu nào đó, nếu ta tâng độ lợi ăng ten ưạm gốc thì tuyến kết nổi thông tin chịu được suy hao đường truyền lớn hơn, tức là tuyên

có khoảng cách xa hon, cho phép tăng khoảng cách phục vụ d của trạm gốc Như vậy, vì ăng ten thông minh có độ lợi cao hon ăng ten truyền thống nên hệ thống ăng ten thông minh mở ròng được phạm vi

Để cải thiện khoảng cách ờ đường xuống, chúng ta có thể sử dụng ăng ten thông minh tại máy di động hoặc ờ bộ phát trạm gốc Vì ăng ten thông minh thường không được đặt tại đẩu máy

di động nên có thể chỉ xem xét định dạng chùm sóng tại trạm gốc để tăng phạm vi trong hê thống cân bằng Tuy nhiên trong các ứng dụng vô tuyến cố định thì ăng ten thông minh hoàn toàn

có thể chiếm một vai trò quan trọng ở thiết bị thuê bao, đầu cuối

hệ thống tổ ong, dung lượng hệ thống có thế được tăng bằng cách giảm phạm vi phù của trạm gốc và thêm vào nhũng ô bổ sung Trường hợp sau là có lợi nhuận, do có một số lượng lớn thuê bao nén bù được các chi phí lắp đặt nhũng trạm góc bổ sung Còn trường hợp đầu thì không như vậy, để đạt được yêu cầu vùng phủ cơ bản, một sô" lượng lớn trạm gốc phải được láp

Chuông 2: cải thiện chỉ tiêu của hệ thống thông tin đi động 59 đặt mà không có lợi nhuận thuê bao Khi đó sử dụng ăng ten thông minh có thể dễ dàng giải quyết vấn đề này bằng cách cho phép diện tích ô ban đầu lớn hơn nhờ ăng ten thông minh có khả năng tăng phạm vi phủ sóng, làm cho số lượng trạm gốc cẩn lắp đặt được cân đối với số lượng thuê bao một cách linh hoạt Tất nhiên chi phí sử đụng ăng ten thông minh cao hơn công nghệ truyền thống phải được tính đến khi tính toán lợi ích kinh tế

2.1.2.3 Giảm ảnh hưởng của nhiều loạn

Ăng ten thông minh làm cho hệ thông tin vô tuyến bền vững trước các nhiêu loạn và giảm độ nhạy với các biểu hiện khác thường Như chúng ta đã biết, hệ thống CDMA yêu cầu điều khiển công suất để đảm bảo rằng tất cả những tín hiệu tới trạm gốc từ các máy đi động khác nhau phải xấp xỉ cùng mức công suất Nếu sử dụng ăng ten thông minh, giúp cô lập tín hiệu đưòng lên từ những người sù dụng khác nhau thì sẽ giảm nhẹ được yêu cầu điều khiển công suất hoặc làm giảm ánh hường xấu

do điều khiển công suất không hoàn hảo Hệ thống vô tuyến CDMA cũng đặc biệt nhạy cảm với sự phân bố lưu lượng theo địa lý của thuê bao Ảng ten thông minh giúp tổ chức lại những mẫu phủ để giải quyết những điểm nóng ờ những vùng có mật độ thuê bao tạm thời cao

2.1.2.4 Chất lượng tuyến tăng

Ăng ten thông minh giúp cho chất lượng tuyến được cải thiện thông qua việc quàn lý đa đường Đa đường trong kênh thông tin vô tuyến tổ ong có thể gây ra pha đinh hoặc tán sắc thời gian một cách sâu sắc Sừ dụng ăng ten thông minh cho phép làm giảm ảnh hưởng cùa pha đinh do đa đường gây ra, hoặc thậm chí lợi dụng được sự phân tập vốn có trong đa đường

60 Ang ten thõng minh

2.1.2.5 Cải thiện dung lượng hệ thống

Ảng ten thông minh giúp cải thiện dung lượng hệ thống Ăng ten thông minh cho phép cả thuê bao lán trạm gốc hoại động ờ mức công suất thấp hơn vói cùng một phạm vi nhu hí thống truyền thống Điều này cho phép hệ thống FDMA và TDMA sử dụng ăng ten thông minh được định lại kênh để si dụng lại tần số thường xuyên hơn hệ thống thông thường, vì tỳ sỉ sóng mang trên nhiễu (CIR: Carrier to Interíerence Ratio) dã lân hơn nhiều Trong hệ thống CDMA, nếu ăng ten thông minh dược

sử dụng cho phép truyền công suất thấp hơn ở đường xuống, khi

dó xuyên âm đa truy nhập giảm, điểu này làm tăng số lượng thui bao đổng thời được phục vụ trong mỗi ô

Không những thế, ăng ten thông minh còn được sử dụng dể phân tách các tín hiệu theo không gian ờ tại trạm góc (kỹ thuật SDMA), cho phép các thuê bao khác nhau chia sẻ cùng tài nguyên phổ tần số, thòi gian hoặc mã nên ăng ten thông minh cho phép cải thiện dung lượng rất nhiều so với ăng ten truyền thống

2.1.2.6 Giải quyết một số rân đê đường lén

Sừ dụng ăng ten thích nghi ờ trạm gốc (thậm chí ờ cà máy đầu cuối) hứa hẹn giải quyết được một số vấn để về đường lên Thông thường trong hệ thống thông tin di động, điều kiện truyền sóng ờ đường lên và đường xuống là không giống nhau Đường lên bộc lộ nhiều khó khàn hơn do một số nguyên nhãn Tmớc hết, trạm gốc có điểu khiển công suất cùa mọi tín hiệu phát trên đường xuống, tuy nhiên, vì sự khác biệt trong đường truyền sóng

vò tuyến giữa người dùng và trạm gốc nên công suất phát từ mỗi

Chương 2: cài thiện chỉ tiêu của hệ thống thõng tin di động 61

thuê bao phải được điều khiển động để ngăn cản một người dùng

bất kỳ gây nhiễu mạnh cho những người khác Thứ hai, công

suất phát phụ thuộc vào điện năng tiêu thụ ờ pin của máy thuê

bao, do đó việc điểu khiển công suất trên đường lên bị hạn chế

Nếu ăng ten trạm gốc được chế tạo nhằm lọc theo không gian

từng người dùng mong muốn để thu được năng lượng tín hiệu

cao hơn từ mỗi thuê bao thì đường lên cho mỗi người sử dụng

được cải thiện, yêu cầu về công suất giảm đi và trạm di động

(MS) tiết kiệm pin hơn, chất lượng dịch vụ tốt hơn Ngoài ra trên

góc độ người sử dụng dịch vụ, ăng ten thông minh còn tăng khả

năng bảo mật, đa dạng hóa dịch vụ,

Tóm lại, các ăng ten thông minh trạm gốc có thể được sử

dụng để tăng cường hoạt động của các hệ thống thông tin di

động theo nhiều cách:

- Tăng bán kính phủ sóng của trạm gốc;

- Giảm nhiễu trong cùng ô;

- Giảm nhiễu trong các ô lân cận;

- Tăng dung lượng bằng cách sử dụng SFIR hoặc SDMA,

v.v

2.2 CẢI THIỆN CHỈ TIÊU HỆ THỐNG GSM BẰNG ĂNG TEN THÔNG MINH VÀ KHẢ NĂNG TRIỂN KHAI

TRONG THỰC TẾ

Sau đây sẽ đánh giá ảnh hưởng của từng loại ăng ten thông

minh: chuyển mạch chùm sóng và ăng ten thích nghi, đối với hệ

vô luyến tổ ong theo chuẩn GSM

62 Ang ten thống minh 2.2.1 Tăng dung lượng hệ thống GSM nhờ ăng ten

chuyển mạch chùm sóng

Ưu điểm của ăng ten chuyển mạch chùm sóng so với ăng ten

dẻ quạt tương đương là hiệu quả sử dụng trung kế cao hơn Trong các tính toán so sánh ở dãy, dể đơn giản ta bỏ qua ảnh hường cùa pha dinh và sự che khuất

Khác biệt chính giữa hệ thống chuyển mạch chùm sóng và

dẻ quạt là số kênh trung kế có dược Trong ăng ten chuyển mạch chùm sóng, mọi kênh có cho một ô đều có thể dược sử dụng bời một chùm sóng nào đó Còn với ăng ten dè quạt, việc tảng sổ chùm sóng làm giảm hiệu suất trung kế bời vì thực chái sử dụng ăng ten dẻ quạt là việc phân nhò hơn các ô, dẫn đến phải giảm sò kênh khả dụng trên từng đoạn ô

Đầu tiên ta xem xét khả năng cải thiện dung lượng của ăng ten dẻ quạt, sau đó đến ăng ten chuyển mạch chùm sóng và so sánh hiệu quả giữa hai loại ăng ten

Dung lượng của hệ thống tỷ lệ với tỷ số C/I nên có thể đánh giá ảnh hường của nhiễu đến dung lượng thông qua tỳ số C/I Trong thông tin di động tổ ong, vùng phủ được chia thành các vùng nhỏ hơn, được gọi là ô (cell) và thường được giả thiết là hình lục giác để tiện phân tích, mỗi ô được một trạm gốc phù sóng Mỗi ô được phản bổ một tập con của toàn bộ bàng thông

mà nhà khai thác có Mỗi khe tần số có thể mang OI bản tin gọi

là mộ! kênh đơn công và chiếm một độ rộng băng tần nhát định quanh tần số sóng mang Tổng quát hơn, đại lượng kênh có thể là một tẩn số, khe thời gian, mã trải phổ, hoặc kết hợp các miên đó Mỗi kênh chì được sử dụng bời một thuê bao đang di chuyển trong ô đó Hai kênh đơn công (đường lên và đường xuống)

Chương 2: cải thiện chi tiêu của hệ thống thông tin di động 63

thành một cặp được gọi là một kênh song công Các kênh đường

lên và dường xuống được phân chia theo tần số hoặc thời gian

Tổng số kênh do một nhà khai thác dịch vụ cung cấp là N„

được phán chia cho các ô trong một nhóm ô, còn gọi là cụm

(cluster) Nếu số ô trong một cụm là N thì số kênh trên Ì ô là:

Để tâng tính hiệu quả sử dụng phổ, một tập các kênh giống

nhau sẽ được lặp lại từ cụm này sang cụm khác Khoảng cách D

giữa các ô sử dụng các kênh giống nhau được gọi là khoảng cách tái sử dụng Các ô sử dụng cùng một tập các kênh được coi là

cùng kênh Trong một hệ thống tổ ong, có thể có vô số các ô

cùng kênh Số ô cùng kênh gây nhiễu cùng kênh ở lớp thứ nhất

(gần với ô gây nhiễu nhất) là N, = 6 Vì hình dạng của ồ là hình

64 Ang ten thõng minh

lục giác nên chỉ có các giá trị kích cỡ cụm nhất định được lính

theo công thức sau:

Trong đó i, j là các số nguyên không âm Do đó kích cỡ cho

phép của ô hình lục giác là N = Ì, 3, 4, 7, 9, 13, 16, Số nguồn

nhiễu cùng kênh ờ các vòng xa hơn thứ n là bằng 6n, n là số

nguyên Nếu R là bán kính của mỗi ô, hình dạng lục giác lạo ra

một liên quan giữa kích cỡ ô và khoảng cách tái sử dụng D là:

D = RV3N (2.3)

Công thức tính diện tích của một hình lục giác theo bán kính

R là:

Khoảng cách tái sử dụng tăng khi kích cỡ cụm tăng với một

bán kính ô cho trước Khoảng cách tái sử dụng lớn sẽ làm cho

công suất nhiễu cùng kênh nhỏ hơn, do tín hiệu vô tuyến gây

nhiêu bị suy hao nhiều hơn khi khoảng cách tăng Do đó công

suất nhiêu giảm khi N tăng Nhưng mặt khấc, số kênh cho Ì ô

giảm khi N tăng sẽ làm cho dung lượng hệ thống giảm đi

Xét ó trung tâm là ô có một máy di động di chuyển trong dó,

giả thiết mọi ăng ten trạm gốc phát xạ công suất như nhau và bị

bao quanh bời các vật cản như nhau, nhiễu phát sinh từ các

nguồn nhiễu ờ lớp gần nhất là do các máy di động nằm ờ rìa ô

không mong muốn, kết hợp vói (2.3) ta có tỳ số cõng suất sóng

mang trên nhiễu CA mà máy di động trong ô trung tâm thu

được là:

Chương 2: cải thiên chỉ tiêu cùa hệ thống thông tin di động 65

Từ phương trình (2.5), ta thấy rõ một cách để giảm nhiễu và tăng tỳ số CA là dùng ăng ten dẻ quạt ờ trạm gốc, chia mặt phảng nằm ngang thành nhiều phần Ví dụ nếu 3 ăng ten dẻ quạt 120° được sử dụng ở trạm gốc thay cho một ăng ten đẳng hướng thì số nguồn nhiễu của hệ thống cụm 7 ô (có 7 ô trong một cụm) sẽ

n = 2: ương không gian tự do

n « 4: trên mặt đất bằng

™ Ang ten thòng minh

giảm từ 6 xuống 2 (hình 2.3) Việc thực hiện phân vùng dè quạt 120° cho phép cải thiện C/I cùa hệ thống lên 3 lẩn hay bằng xấp

Tuy nhiên, việc dẻ quạt hóa có một số nhược điểm sau:

- Cần nhiều thiết bị trạm gốc hơn

- Do mỗi ô được chia thành nhiều ô con, số kênh trên một ô

con giảm nên hiệu quả trung kế giảm Hiệu quà trung kế đo bằng

mật độ lưu lượng trẽn Ì kênh

Chương 2: cải thiên chỉ tiêu của hệ thòng thông tin di động 67

- Cần nhiều chuyển ô khi máy di động di chuyển từ ô con này sang ô con khác

Với CIR cho trước (xác định bởi các điều kiện ràng buộc về chỉ tiêu khác) và n, Ni, phương trình (2.5) có thể biến đổi thành: (2.6)

ưong đó chỉ số omni (vô hướng) đã được loại bò khỏi CA

Sử dụng ăng ten thông minh chuyển mạch chùm sóng:

Trong vùng mật độ dân số cao, có thể giả thiết rằng các nguồn nhiễu được phân bố đồng nhất trong không gian Nếu một ăng ten chuyển mạch chùm sóng có m chùm sóng, mỗi chùm sóng có độ rộng A<I> rad, được sử dụng ờ vị trí ô thay cho ăng ten đẳng hướng thì số nguồn nhiễu trên một chùm sóng giảm đi

AQ>/2n = l.m, hay C/I tăng m lần so vói công thức (2.5) Do đó,

CIR cho một ăng ten chuyển mạch chùm sóng (em beam) có m chùm sóng là:

CAL.bem,= ^-(3N)"'2 (2.7)

Công thức này cho thấy CIR tỷ lệ thuận vói m chùm sóng

Ưu điểm này đạt được giống như trường hợp sử dụng ăng ten dẻ quạt Tuy nhiên, khác với ăng ten dẻ quạt, sô kênh khả dụng trong hệ thống chuyển chùm sóng không bị chia ra giữa các chùm sóng nhờ tính năng ăng ten thông minh Trái lại, mọi kênh đêu là khả dụng cho chùm sóng được chọn Phương trình (2.7) có thể được dùng để tính CIR với m, Ni, N và n cho trước Ngược lại vói CIR, n và m cho trước, tương tự công thức (2.6), công

68 Ang ten thông minh thức (2.7) có thể được chuyển đổi để xác định kích cỡ cụm hiệu dụng Ne:

N< = ĩ ni ì :Nm" (2.8)

Phương trình trên cho thấy rằng, với CIR không dổi thì kích

cỡ cụm giảm khi m tăng Nếu N, là tổng số kênh trên một cụm và

Nc = N,/N là số kênh trên một ô (khi m = 1) thì số kênh hiệu dụng trên một ô Ncc là:

một trung kế Với một giá trị cụ thể cùa xác suất nghẽn là 0,01,

biểu diễn xấp xì sau có thể được sử dụng:

E/Nk « tanh(ll(0,07Nk) - 1,41 X ÌO-3^-0-"™1 (2 Ì Oa)

Già sử lưu lượng tiêu biểu cùa người sử dụng là E„, số người

sử dụng tối đa được hỗ trợ trên một kênh là K = (E/Nk)/E„ hay:

K = — [0,855tanh(0,07Nk) - 1,41 X lo 3NỈe-°0 7 N k (2.10b)

l1) Hàm tanh là một hàm thống ké tính mật độ lưu lượng trên 1 kênh theo số kênh trẽn một trung kế, với một chì tiêu chất lifl?ng GOS nhất định Hâm nãy tương tự bảng Erlang dùng trong thòng tin di động

Chương 2: cải thiện chỉ tiêu của hệ thống thõng tin di động 69

4500

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Số chùm sóng {hoác số dẻ quạt) của ăng ten, m

Hình 2.4 Số người sử dụng trên mội ô theo số chàm sống (hoặc số

dè quạt) của ăng ten với C1R cố dinh và xác suất nghẽn ỉa 0,0i

Đối với ăng ten chuyển mạch chùm sóng có số kênh hiệu dụng trên một ô là Nce cũng là số kênh trên một trung kế, xem

công thức (2 lOb), ta có tổng số thuê bao trên ồ là:

Kc m tom = K N^ Với hệ thống chuyển mạch chùm sóng có

cấp bậc phục vụ p = 0,01, thay K từ công thức (2.10b) vào thì có:

K«.mbem = (NJE„) [0,855tanh(0,07NJ - 1,41 X 103N^e"°'°™« (2.11)

Bẽn cạnh đó, số người sử dụng (K M hutìng) và (Rai,™,) trên một ô tương ứng với ăng ten đẳng hướng và ăng ten dè quạt

có m chùm sóng, khi p = 0,01 là:

70 Ang len thống minh

Kv„hltó„s = (Ncc/E„) [0,855tanh(0,07Nc) - 1,41 X 10 'NỈe-o f l 7 N« ] (2.12)

K,6huớns = (fiJEJ [0,855tanh(0,07Nc) - 1,41 X |(r'NcVofl,N' ] (2.13)

Trong công thức trên, số trung kế trong hệ thống m dè quạt (m sector) bằng m và số kênh trên một trung kế trong tổng số kênh có thể dùng giảm theo tỳ lệ thuận N^m

Các phương trình (2.10), (2.11), (2.12) và (2.13) có ý nghĩa cho CIR không đổi và xác suất nghẽn p = 0,01 Giữ CIR là hằng sỏ', khi độ rộng chùm sóng bị hẹp đi m lần thì kích cỡ cụm đã được chuyển thành Nc như chì ra trong phương trình (2.8) Hình 2.4 cho thấy kết quả tính toán số kênh trẽn ỏ cho hê thống chuyển mạch chùm sóng và dẻ quạt với E„ = 0,05 Erlang,

n = 4,5, N = 4, Ni = 6, p = 0,01 và N, = 320 kênh Với các tham

số đã chọn này, CIR cho ăng ten đẳng hướng là 16,5 dB Ăng ten đẳng hướng sẽ hỗ trợ được 1314 người dùng Ăng ten dẻ quạt có cùng CIR hỗ trợ tới 2891 người dùng với 12 dẻ quạt Còn ăng ten chuyển mạch chùm sóng có 12 chùm sóng sẽ hỗ trợ 4121 người dùng, tức là tăng thêm được 70% so với ăng ten dè quạt có cùng

số chùm sóng và cùng CIR

Trong những phân tích trên đã bỏ qua ảnh hướng khá quan trọng của pha đinh và hiện tượng che khuất Việc tính toán sẽ phức tạp hơn nhiều khi xét các yếu tố này, song kết quà thu được cũng tương tự, thậm chí còn tốt hơn vì khả nâng tránh pha đinh của ăng ten thông minh tốt hơn ăng ten thường

Ngoài ra, lưu lượng cùa môi thuê bao được giá thiết là 0,05 Erlang lớn hơn so vói lưu lượng thật của hệ thống GSM ỏ

Chương 2: cải thiện chỉ tiêu của hệ thống thông tin di động 71

nưóc ta hiện nay là 0,025 Erlang Giả thiết nghẽn là 1% cũng

nhỏ hơn so với nghẽn thiết kế thực tế là 2% NẾU kể đến tất cả

các chênh lệch này thì số thuê bao có thể hỗ trợ trong một ô còn

lớn hơn nữa Tuy nhiên, ở đây ta chỉ tập trung vào kết quả là

dung lượng tăng lên khoảng bao nhiêu % khi sử dụng ăng ten

chuyển mạch chùm sóng thay cho ăng ten dẻ quạt, như đã nói

trên con số này đạt khoảng 70% với ăng ten có 12 chùm sóng

2.2.2 Tăng dung lượng hệ thống GSM nhờ ăng ten thích nghi

Ảng ten thích nghi làm tăng dung lượng hệ thống thông qua

khả năng SDMA của nó Trong mục này, ta chỉ tham khảo, xem

xét kết quả của một phép mô phỏng để đánh giá khả năng SDMA

cùa ăng ten thích nghi trong hộ thống GSM Mô hình mô phỏng

như ở hình 2.5, trong mô hình này có tính đến các đặc tính cùa

hệ thống GSM như điều khiển công suất và truyền dẫn không

liên tục (DTX: Discontinuous Transmission) Cấu trúc các ô có

hình lục giác Các máy di động được giả thiết phân bố đổng đểu

trong vùng được xét và mỗi máy di động gắn vói trạm gốc cổ

công suất nhận được lòn nhất Giả thiết suy hao đường truyền tỷ

lệ trực tiếp vói khoảng cách với hệ số mũ 7 = 4, xét cả hiệu ứng

che chắn Do đó, quan hệ giữa công suất phát và công suất thu là:

trong đó:

+ d là khoảng cách từ máy đi động đến trạm gốc;

+ ri là biến ngầu nhiên Gausian với giá trị trung bình bằng 0;

+ Độ lệch chuẩn ơ = 8 dB;

+ PR: công suất thu;

+ PT: công suất

phát-72 Ang ten thông minh

Hình 2.5 Mõ hình mô phòng phân tích kỹ thuật SDMA

trong hệ thống FDMAITDMA

Đói với môi ô, tùy thuộc vào số ngưòi sử dụng gán cho một

kênh (SMG: Spatial Multiplexing Gain - Tăng ích ghép kênh không gian), độ phân biệt không gian tối thiểu bằng 2n/M với M

là số phần từ ăng ten (hoặc 2n/M rad là đô rộng chùm sóng ăng

ten thích nghi) Nhận thấy rằng với SMG = Ì thì tương dương với

kỹ thuật lọc không gian giảm nhiễu SFIR

Xét các máy di động gán với trạm gốc tại trung tâm cùa vùng xét, mẫu phát xạ của dàn ăng ten được xác định theo tiêu chí sai số trung bình bình phương MSE, tính véc tơ trọng sò w sao cho tôi thiểu hóa được hàm sau:

MSE = E[yd(t) - y(t) 12] (2.15)

Chương 2: cài thiện chì tiêu của hệ thống thông tin di động 73

Giá trị này là sai số bình phương trung bình giữa tín hiệu đầu

ra y(t) và tín hiệu mong muốn yd(t)

Xét dàn ăng ten được xếp theo đường tròn, mỗi phần từ cách

nhau XIA Cuối cùng tính toán tỷ số giữa công suất tín hiệu mong

muốn và công suất nhiêu C/I cho đường lên khi vị trí của các

máy đi động thay đổi, vẽ đồ thị để đánh giá

Hình 2.6 Phân bố xác suất của cu cho hệ thống SFIR,

với các kích thước mầu lần lượt là 4, 3, ỉ

74 Ang ten thông minh

Đối với kỹ thuật SFIR, ta sẽ tính cu khi kích thuốc mỉu tái

sử dụng tần số thay đổi Hình 2.6 thể hiện hàm phân bố xác suít cùa C/I cho hệ thống SFIR với kích thước mẫu tái sử dụng tẩn số bằng 4,3 và Ì với M phẩn tử ăng ten khác nhau cho mồi mỉu

Đường nét đứt tương ứng với trường hợp hệ thống truyền thống

SỪ dụng một ăng ten đẳng hướng Từ hình 2.6, ta có thể chấy việc

sử dụng dàn ăng ten thông minh có thể tăng dì tham từ 15 đến

25 dè

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 c/l (dB)

Ang ten có 32 phần tử

Hỉnh 2.7 Phản bố xác suất của cu trong hệ thống SDMA với số phần tử ăng ten lần lượt là 8, 16 và 32

Chương 2: cải thiện chỉ tiêu của hệ thống thông tin di động 75 Mặt khác, đối với kỹ thuật SDMA, cần xác định ti số CA khi SMG thay đổi để xác định số người sử dụng tối đa dùng chung một kênh vật lý Hình 2.7 đưa ra phân bố xác suất cùa C/I với một kích thước mẫu tái sử dụng tần số cố định bằng 4, song có SMG thay đổi và với số phần tử ăng ten M khác nhau

Ta có thể thấy rằng, với kỹ thuật SFIR, có thể giảm kích thước mẫu xuống bằng Ì, do đó mỗi ô có thể sử dụng toàn bộ số kênh khả dụng

Khi SMG bằng 4 thì dung lượng tăng lên gấp 4 lần Vói kỹ thuật SDMA, giá trị cực đại cùa SMG có thể lên tới 8

2.2.3 Khả năng triển khai trong thực tê

2.2.3.1 Tăng dung lượng hệ thống

Trong các khu vực đông dân cư, hệ thống di động thường bị giới hạn bài các nhiêu thông thường, đó là nhiễu từ những người dùng khác, đây là nguồn gây ra tạp âm chính đối với hệ thống

Do đỏ, yêu cầu tỷ số tín hiệu trên nhiều SIR sẽ phải lớn hơn nhiều so vói tỷ số tín biêu trên tạp âm nhiệt SNR Việc sử dụng

dàn ăng ten thông minh sẽ cải thiện đáng kê vè vấn để này

Ăng ten thông minh đồng thời làm tăng mức tín hiệu thu có ích và làm giảm mức nhiễu, do đó tăng được tỳ số SIR, các báo cáo kết quả thử nghiệm cho thấy có thể làm tăng giá trị SIR trung bình trong các khu vực đô thị thêm 10 dB Trong các hệ thống TDMA, việc tăng giá trị SIR tương ứng với khả năng có thể giảm khoảng cách tái sử dụng tần số Hình 2.8 là một ví dụ giảm khoảng cách tái sử dụng tần số từ mẫu 7 ô truyền thống xuống mẫu 3 ô, làm tăng dung lượng lén 7/3 lần vì các ô sẽ được cấp phát tổng số lượng sóng mang nhiều hơn

76 Ang ten thõng minh

Mô phỏng quá tình thực hiện trong mạng GSM-FH với việc dùng khoảng cách tái sử dụng là 1,3, các báo cáo vé SFIR cho thấy tăng dung lượng 300% là hoàn toàn có thể thực hiện được

a) Mâu cụm 7 ó truyền thống b) Mau cụm cho phép nhờ giảm nhiễu

bằng cách sử dụng áng ten thông minh

Hình 2.8 Tăng dung lượng bằng cách giấm khoảng cách

và một độ tăng dung lượng là 5 lần vói CDMA

2.2.3.2 Tăng bán kính phủ sóng

Trong các vùng nòng thôn và vùng dân cư thưa thớt, cần chú trọng đèn vùng phú sóng vò tuyến hem so với dung lượng, dây là yếu tố quyết định dẫn đến phương án triển khai các trạm gốc có bán kính phù sóng lớn chứ không phải có dung lượng cao Do ăng ten thòng minh có độ định hướng cao hem so với ăng len dè

Chương 2: cải thiện chỉ tiêu của hệ thống thông tin di động 77 quạt và ăng ten đẳng hướng truyền thống, nên việc sử dụng ăng ten thông minh có thể tăng được bán kính phù sóng Điều này

cho phép đặt các trạm gốc ở cách xa nhau hơn, dẫn đến hiệu quả

hơn về mặt chi phí

Độ tăng ích của ăng ten thông minh so với ăng ten một phần

tử có thể được tăng lên một lượng bằng với số các phần tử của dàn ăng ten Ví dụ một dàn ăng ten 8 phần tử có thể tăng độ tăng ích lên 8 lần (9 dB)

Với giả thiết quỹ đường truyền bị giới hạn bởi công suất phát của trạm gốc hoặc máy di động, có thể tính được độ tăng bán kính phủ sóng nhờ sử dụng dàn ăng ten từ tăng ích ăng ten Một dàn ăng ten có L cột có khả năng tăng ích gấp lOlgL (dB) so với tăng ích của ăng ten loại Ì cột, nếu bỏ qua suy hao phối ghép và các suy hao khác trong ăng ten Ta có thể chuyển đổi tăng ích C/N này sang tăng ích về khoảng cách Ví dụ, giả thiết suy hao đường truyền là r5,5 và có L = 10 thì có thể tăng bán kính lên

2 lần tương ứng giảm được 4 lần số trạm gốc

2.2.3.3 Triển khai thèm các dịch vụ mới

Khi sử dụng ăng ten thông minh, mạng sẽ sử dụng được các thông tin về vị trí không gian cùa người sử dụng Thông tin này

có thể được dùng để tính toán vị trí của người sử dụng chính xác hơn nhiều so vói việc xác định trong các mạng hiện thời Việc xác định vị trí có thể được sử dụng trong các dịch vụ như cuộc gọi khẩn cấp và tính cước theo vị trí Ngoài ra, còn rất nhiều lĩnh vực chuyên môn, công tác quản lý, cần có thông tin định vị người sử dụng di động để phục vụ những mục đích khác nhau

78 Ang ten thông minh Trong thực tế, ủy ban Thông tin liên bang cùa Mỹ đã có quy định là từ tháng lo năm 2001 trờ đi, các thông tin định vị nguôi

sử dụng phải được cung cấp với độ chính xác có sai số trung bình

125 m

2.2.3.4 Bảo mật

Khi ăng ten sử dụng thông minh, việc nghe trộm sẽ khó khăn hơn rất nhiều Trước hết để có thể nghe trộm được, kè xâm nhập phải ở cùng hướng với người sử dụng theo hướng nhìn từ trạm

gốc xuống máy di động, xác suất thực hiện được điều kiện này là rất bé so với không có điều kiện ràng buộc về không gian

2.2.3.5 Giảm truyền dẫn đa đường

Bằng cách sử dụng ăng ten có búp sóng hẹp tại trạm gốc, có thê* giảm được truyền sóng đa đường Mức độ giảm thực tế phụ thuộc vào từng hoàn cảnh cụ thể và không phải sự giảm này luôn quan trọng đối với hệ thống, chẳng hạn như với các kết nối tốc

độ rất cao Việc làm giảm truyền dẫn đa đường có thể giúp đơn

giản hóa các yêu cầu đối với việc thiết kế các mô-dem trong

tương lai

2.3 CÀI THIỆN CHỈ TIÊU HỆ THỐNG CDMA BẰNG ẢNG TEN THÔNG MINH VÀ KHẢ NĂNG TRIỂN KHAI TRONG THỰC TẾ

Nhìn chung, những lợi ích của ăng ten thông minh trong hệ thống GSM cũng tương tự đối với hệ thống CDMA Tuv nhiên

do đặc điểm riêng cùa hệ thống CDMA nên việc đánh giá khả năng cải thiện dung lượng nhờ ăng ten thông minh cần co nhũng phép tính toán khác

Chương 2: cải thiện chỉ tiêu cùa hệ thống thông tin di động 79 Phần này sẽ trình bày một số tính toán ngắn gọn để đánh giá

khả năng cài thiện dung lượng và vùng phủ khi SỪ dụng ăng ten

thích nghi

2.3.1 Cải thiện dung lượng và vùng phủ đường lên bằng ăng ten thích nghi

Chúng ta có thể sử dụng các cõng thức sau làm cơ sở để phân tích sự ảnh hưởng đến dung lượng và vùng phủ ờ đường lên, nhằm tính tỳ số năng lượng bít thu được trẽn mật độ phổ cõng

£ suất táp âm nhiêt và nhiêu —:

+ N là số người sử dụng trong ô;

+ w là băng thông của hệ thống;

+ a là hệ sò tích cực tiếng;

+ p là nhiễu nội ô;

+ M là số phần từ ăng ten (tương đương với ăng ten thích nghi có độ rộng búp sóng bằng 360°/M)

lo

= MG N,„W + a(l + P)(N-l)S s (2.16)

80 Ang ten thông minh

Già thiết điều khiển công suất và định dạng chùm sóng lì

vói số các phần tử ăng ten Dung lượng cực là dung lượng cực đại

theo lý thuyết nếu máy di động có thể phát vô hạn, khi dó sự giới

hạn dung lượng không còn liên quan đến vùng phù sóng mà chì

bị hạn chế bởi nhiễu

Trong thực tế máy di động không có công suất vô hạn Vì

vậy dung lượng thực tê chỉ là một phần tiêu biểu cùa dung lượng

cực, giá trị này cỡ khoảng 50-60% dung lượng cực Tùy theo hộ

thống hoạt động gần dung lượng cực đến mức nào, công suất tín

hiệu yêu cầu thu được trên ăng ten s, sẽ khác nhau Từ cõng thức

(2.17), nâng lượng tín hiệu yêu cầu thu được trên một ăng ten có

thể biểu diễn là:

FN,„W

Chương 2: Cải thiện chi tiêu của hệ thống thông tin di động 81

Có thể coi các đầu cuối người sử dụng có công suất hữu hạn

p, và coi suy hao đường truyền có hệ số mũ suy hao là y, ta có

thể biểu diễn bán kính R của ô là:

nhỏ là = Ì khi M = Ì và đưa hằng số k vào diện tích phù sóng

chuẩn hóa, ta có thể viết lại công thức (2.21) như sau:

A-" 2 =—— (2.22)

M-N Chúng ta có thể biểu diễn dung lượng chuẩn hóa đường lên

N như là một hàm của diện tích phủ chuẩn hóa A, số các ăng ten

M ờ trạm gốc và hệ số mũ suy hao đường truyền:

Đối vối một số ăng ten cho trước và hệ số suy hao đường

truyền cho trước, có sự cân đối nhất định giữa vùng phủ và dung

lượng Hình 2.9 biểu diễn sự cân đối này cho Ì và 4 ăng ten vói

hệ số Ỵ = 3,5

82 Ăng ten thông minh Trong hình 2.9, đường cong M = Ì biểu diễn sự cân đối dung lượng và vùng phủ khi có một phần từ ăng ten, đường cong

M = 4 biểu diễn sự cân dối dung lượng và vùng phủ khi ẳng len thích nghi có 4 phần từ Tại điểm có tải bằng 55% dung lượng cực, chúng ta có thể tăng dung lượng lên 4 lẩn và vùng phù lên 2,2 lần với ăng ten thích nghi

Như đã nói ở trên, hệ thống CDMA thường hoạt động ờ một vùng nhất định cùa dung lượng cực của nó Hình 2.9 minh họa vùng phù và dung lượng tăng như thế nào khi phần tài dược giữ không đổi và thay đổi từ Ì đến nhiều ăng ten trạm gốc Với phán tải không đổi và với giả thiết dung lượng cực là tỷ lệ với số ảng ten, độ tăng dung lượng hiển nhiên là:

Độ tăng dung lượng khi tải không đổi = M (2.24)

Để tính diện tích vùng phù tăng như thế nào, chúng ta có thể chia công thức (2.23) cho M, được hệ số tải trên ăng ten, n = N/M

và viết lại nó là:

A = (l-H) 2 "M 2 » (2.25)

Giữ ụ không đổi thì độ tăng diện tích phù với tài không dổi

được cho bời:

Độ tăng diện tích phù sóng khi tải không đổi = M2" (2.26)

Cả độ tăng dung lượng và độ tăng vùng phù dường lên trong công thức (2.24) và (2.26) đều có thể đạt dược mội cách đổng thời

Chường 2: cải thiện chỉ tiêu cùa hệ thống thông tin di động 83

2.3.2 Cài thiện dung lượng và vùng phủ đường xuống bằng ăng ten thích nghi

Chúng ta phân tích chi tiết hem để đánh giá ảnh hưởng của ăng ten thích nghi vào dung lượng của đường xuống Trước tiên

ta sẽ tính theo tỳ số tín hiệu trên tạp âm và nhiêu tại thuê bao Giả thiết rằng chúng ta có thể biểu diễn tỷ số tín hiệu trên tạp âm trung bình cho một đầu cuối sử dụng là:

84 Ang ten thông minh SINR trung bỉnh N nhiệt + PglSc(l _1lningbinh)('phát trung bình + Pmnịbi* ^Pmmíbinh

(2.27) Trong đó:

+ Pphát lrang binh 'à C Ô ng s u â t t r u ng bình ph â n phát đèn dà" c u* người sử dụng;

+ Nnhiạ là công suất tạp âm nhiệt;

+ PgSc là tổng công suất phát bởi trạm gốc;

+ 1tn.ng binh là hệ số trực giao trung bình;

+ p , mnỊ b ] n h là tỳ số nhiêu liên ô trên nhiễu nội ô trung bình; + p l n l n g b l n h là suy hao đường truyền trung bình cho nhiễu Tiếp theo chúng ta có thể biểu diễn công suất phát bung bình tới đầu cuối sử dụng như sau:

p****** = k^-M2R-' = k%MR" (2.28)

MN N

ơ đây, chúng ta chia tổng công suất thực của trạm gốc cho N người sù dụng và M ăng ten, nhãn với tăng ích liên kết công suất hợp nhất M2, rồi nhân với hệ số suy hao đường truyền R"', R là bán kính ô và Y là hệ số suy hao, hằng số k là tiêu chuẩn hóa Giữa các biến của mẫu số ở công thức (2.27, chi có mội biến phụ thuộc vào bán kính ô là suy hao trung bình cùa nhiễu Pininí binh có thể biểu diễn nó như sau:

Chuông 2: cải thiện ch! tiêu của hệ thống thông tin di động 85

- Nếu tăng số ăng ten trạm gốc lên M lần, giữ tổng còng suất

trạm gốc không đổi và giữ bán kính ô không đổi, thì chúng ta

cũng có thể tăng số người sử dụng lên M lần (ờ đây giả thiết định

dạng chùm sóng đường xuống là hoàn hảo; trong thực tế, hệ số

M bị suy giảm phần nào ứng với sự không hoàn hảo cùa định

dạng chùm sóng đường xuống) Khi tăng số người sử dụng trên

cùng trạm gốc, chúng ta không thể tăng bán kính của ô Điều đó

làm cho tỳ số tín hiệu trên nhiễu ờ đầu cuối sử dụng bị giảm đi

Dù vậy, nếu tăng số ăng ten trạm gốc lên M lần, giữ tổng công

suất trạm gốc không đổi và giữ số người sử dụng không đổi thi

chúne ta có thể tăng bán kính ô lên ít nhất M1" lẳn Trên thực tế

86 Ang ten thòng minh điểu đó có thể tăng lớn hom vì nhiêu ờ mẫu số cùa công thúc (2.27) dã bị suy giảm

- Nếu tăng số phần tử ăng ten lên M lẩn và tăng tổng công suất phát cùa trạm gốc lên M lần (có nghĩa là độ khuếch dại công suất không đổi) thì có thể đổng thời tăng số người sử dụng

M lần, giữ tổng công suất phát trạm gốc không đổi thì có thể tăng dung lượng lên M lần (hay gần bằng M nếu định dạng chùm sóng đường xuống không hoàn hảo) hoặc tăng diện tích phù lên

M2/Mần

Ngoài ra có thể đánh giá ảnh hưởng của ăng ten thững minh vào hệ thống DS-CDMA theo cách tính khác, song ta cũng nhận được kết quả cuối cùng tuông tự như trên

2.3.3 Khả năng triển khai trong thực tế

2.3.3.1 Cân bằng tải vói ăng ten dẻ quạt thông minh

Giả thiết vị trí ô được trang bị ăng ten 3 dè quạt thống thường, khi xảy ra mất cần bằng tải giữa các dẻ quạt, có dè quạt chịu tải lớn, trong khi dẻ quạt kia chịu ít tải Nếu nhà khai thác

cô cán bằng lưu lượng giữa các sector thì sẽ gặp khó khăn rít lòn

vì các dè quạt 120° kém linh hoạt Ngoài ra, việc dổi hướng sector cần phái thực hiện bằng nhân công với những thay đói vật

Chương 2: cải thiện chỉ tiêu của hệ thống thông tin di động 87

lý về vị trí ăng ten nên sẽ tốn thời gian và rất không hiệu quà nếu mẫu lưu lượng lại thay dổi thường xuyên

Trong khi đó, theo nghiên cứu cùa Metawave trong thời gian một năm, có tới 60% vị trí ồ trong một mạng di động bình thường có thẻ thu được lợi ích nếu cấu hình lại dẻ quạt theo phân

bố lưu lượng thay đổi

Metavvave đã cung cấp giải pháp ăng ten thông mình có thể thay đổi cấu hình từ xa mà không yêu cầu đến thay đổi hạ tầng trạm gốc hiện có Hệ thống này cho phép thay đổi cà hướng sector và độ rộng chùm sóng dẻ quạt với bưốc tãng/giảm cỡ 30° Kết quà là nhà khai thác có thể cân bằng tải giữa các dẻ quạt rất linh hoạt Trong mạng thực, nếu hệ thống này được triển khai, nhà khai thác sẽ tăng dược dung lượng lên tới 50% qua việc cân bằng tải giữa các dẻ quạt

Ăng ten thông minh còn giảm bót các điểm nóng trong mạng, bằng cách kích hoạt phần dung lượng rỗi cùa hệ thống khi lưu lượng phân bố không đều Thí dụ hệ thống SpotLight 2000

đã được triển khai tại 30 vị trí ô có vấn đề vào thời điểm dung lượng tâng đến ngưỡng, kết quà là dung lượng cùa mạng tăng khoảng từ 30% đến gần 40%

2.3.3.2 Chuyển ó

Một vấn đề ảnh hường trực tiếp tới dung lượng vị trí ô trong

hệ thống CDMA là việc quản lý chuyển ò Đặc tính chuyển ô mềm/mểm hơn cùa giao diện vô tuyên CDMA là đề cài thiện chất lượng và độ tin cây cùa cuộc gọi CDMA Tuy nhiên, do một máy di động có thể kết nối với 2 vị trí ô hoặc nhiều hơn

88 Ang ten thông minh

cùng một lúc, việc chuyển mểm/mềm hơn sẽ làm lốn dáng tí

Trong thực tế, việc giảm chuyển ô nhờ đặc tính cùa ăng ten thông minh làm đường biên chuyển ô thay đổi, có thể tâng dung lượng vị trí ô tới 20%

2.3.3.3 Tổng hợp dẻ quạt động

Với các địa bàn có mẫu phân bố lưu lượng thay dổi theo thòi gian trong ngày, việc tổng hợp dẻ quạt động giúp cân bằng tái trong các dẻ quạt một cách tốt nhất Ví dụ, vào giờ đi làm trong buổi sáng, đường giao thông là nơi có lưu lượng lớn Để cân bằng lưu lượng theo vị trí địa lý này, trong giờ đi làm ăng ten thông minh (3 dẻ quạt) sẽ chia lưu lượng ờ khu vực đường giao thông vào 2 dẻ quạt khá hẹp, còn dẻ quạt thứ 3 rộng thì phục vụ các lưu lượng thấp cùa các khu vực khác như các tòa nhà Khi qua giờ đi làm, ăng ten thông minh lại tự động chuyển các dè quạt hẹp về nen có lưu lượng cao là các tòa nhà

2.4 KHÁ NĂNG CÀI THIỆN CHÌ TIÊU CHO W-CDMA

BẰNG ẢNG TEN THÔNG MINH

Về cơ bản khả năng cải thiện chỉ tiêu cho W-CDMA cùa ẳnf ten thông minh cũng tương tự như cho CDMA

Chương 2: cải thiện chỉ tiêu cùa hệ thống thõng tin di động 89 Trong W-CDMA, ăng ten thông minh luôn kết hợp với máy thu RAKE, cho phép tối đa hóa được tỷ số tín hiệu trên nhiễu Kết luận: Chương 2 đã tính toán cụ thể đạc tính chất lượng

có được nhờ ăng ten thông minh của các hệ thống thông tin di động GSM và CDMA, đây chính là những hệ thống đang được khai thác, sử dụng trên mạng viễn thông Việt Nam Qua tính toán đã khẳng định lại một cách khoa học tính ưu việt cùa ăng ten thông minh khi được sử dụng vào hệ thống thông tin di động

tổ ong Điều đó cũng tương tự đối vói các hệ thống thông tin di động mặt đất và thông tin cá nhân nói chung