TRƯỜNG …………………KHOA…………………….

----------

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Đề tài:

Dự đoán phủ sóng trong hệ thống thông tin di động

1

MỤC LỤC

CHƯƠNG I ................................................................................................................................. 3 KÊNH VÔ TUYẾN DI ĐỘNG VÀ VẤN ĐỀ DỰ ĐOÁN PHỦ SÓNG .................................... 3 1.1. Tổng quan về kênh vô tuyến di động .................................................................................... 3 1.1.1. Các tác động cơ bản ........................................................................................................... 3 1.1.1.1. Tổn hao đường truyền .................................................................................................... 3 Kênh Gaussian thường được coi là kênh lí tưởng, tuy nhiên điều này không hoàn toàn đúng như vậy. Trong các microcell và đặc biệt là trong các Picrocell kiểu kênh này thường hay xuất hiện. Ngoài ra, khi sử dụng các kĩ thuật phân tập, san bằng, mã kênh, mã dữ liệu … thì chất lượng của các hệ thống không mang đầy đủ tính chất của kênh Gaussian cũng có thể tiến sát được đến với chất lượng của kênh Gaussian. ............................................................................ 12 CHƯƠNG II ............................................................................................................................... 34 CÁC PHƯƠNG PHÁP DỰ ĐOÁN TRUYỀN SÓNG THÔNG DỤNG .................................. 34 2.1. Phương pháp Okumura ....................................................................................................... 34 CHƯƠNG III ........................................................................................................................ 60 TÓM TẮT CÁC ĐIỀU KIỆN PHỦ SÓNG KHÁC NHAU ...................................................... 60 VÀ MỘT SỐ VẤN ĐỀ TRONG HỆ THỐNG CDMA ............................................................. 60 3.1. Tổng quan ........................................................................................................................... 60 3.5. Các vấn đề quan trọng có liên quan đến tính toán phủ sóng trong hệ thống CDMA ......... 80 3.5.1. Điều khiển công suất trong hệ thống CDMA .................................................................. 80 KẾT LUẬN ................................................................................................................................ 94

2

CHƯƠNG I

KÊNH VÔ TUYẾN DI ĐỘNG VÀ VẤN ĐỀ DỰ ĐOÁN PHỦ SÓNG

1.1. Tổng quan về kênh vô tuyến di động

1.1.1. Các tác động cơ bản

1.1.1.1. Tổn hao đường truyền Tổn hao đường truyền mô tả sự suy giảm cường độ tín hiệu giữa ăng-ten thu

và ăng-ten phát theo khoảng cách và các tham số khác có liên quan như tần số

công tác, độ cao các ăng-ten, ... Trong không gian tự do, cường độ tín hiệu trung

bình thu được giảm dần theo bình phương khoảng cách từ máy phát tới máy thu

do công suất tín hiệu trên một đơn vị diện tích của mặt cầu sóng giảm dần theo

bình phương khoảng cách giữa các ăng-ten thu và phát. Trong thông tin di động

mặt đất, do hấp thụ của môi trường truyền, do sự tồn tại của các chướng ngại vật

dẫn đến các hiện tượng phản xạ, nhiễu xạ,… làm cho tổn hao đường truyền có

thể lớn hơn rất nhiều tổn hao trong điều kiện truyền sóng trong không gian tự do.

Tổn hao đường truyền phụ thuộc tần số bức xạ, địa hình, tính chất môi trường,

mức độ di động của các chướng ngại, độ cao ăng-ten, loại ăng-ten… Trong

thông tin di động vô tuyến tế bào, trong nhiều trường hợp tổn hao đường truyền

tuân theo luật mũ 4 tức là tăng tỉ lệ với luỹ thừa 4 của khoảng cách (được xác

định bằng thực nghiệm khi đó tín hiệu giảm 40 dB nếu khoảng cách tăng lên 10

lần). Về nguyên tắc, tổn hao đường truyền hạn chế kích thước của tế bào và cự li

liên lạc, song trong nhiều trường hợp ta có thể lợi dụng tính chất của tổn hao

3

đường truyền để phân chia hiệu quả các tế bào, cho phép tái sử dụng tần số một

cách hữu hiệu làm tăng hiệu quả sử dụng tần số.

1.1.1.2. Pha-đinh

Pha-đinh là sự biến đổi cường độ tín hiệu sóng mang vô tuyến thu được do sự

thay đổi của môi trường truyền sóng và sự phản xạ, tán xạ, nhiễu xạ trên đường

truyền sóng. Đối với các hệ thống thông tin vệ tinh, pha-đinh chủ yếu gây bởi sự

hấp thụ thay đổi của khí quyển trong những điều kiện đặc biệt như mưa rào. Còn

đối với các hệ thống thông tin vô tuyến mặt đất, nguyên nhân chính gây ra pha-

đinh đó là:

Sự thăng giáng của tầng điện ly đối với các hệ thống sóng ngắn.

Sự hấp thụ gây bởi các phân tử khí, hơi nước, mưa… sự hấp thụ này phụ

thuộc vào tần số công tác, đặc biệt là trong dải tần số cao (> 10GHz).

Sự khúc xạ gây bởi sự không đồng đều của mật độ không khí làm thay

đổi hướng sóng so với thiết kế.

Sự phản xạ, tán xạ, nhiễu xạ từ các chướng ngại vật trên đường truyền

lan của sóng điện từ gây nên hiện tượng trải trễ và giao thoa sóng tại

máy thu.

Do các yếu tố kể trên, hệ số suy hao đặc trưng cho quá trình truyền sóng vô

tuyến có thể biểu diễn dưới dạng: a(f,t) = afs.A(t,f)

Trong đó a(f,t): là hệ số suy hao sóng vô tuyến, afs là suy hao trong không

gian tự do, A(t,f) là hệ số suy hao do pha-đinh.

Ta thấy rằng, hệ số suy hao do pha-đinh là một hàm của thời gian và tần số.

Nếu suy hao pha-đinh là hằng số trên toàn bộ băng tần hiệu dụng của tín hiệu thì

ta có pha-đinh phẳng (flat fading) hay pha-đinh không chọn lọc theo tần số

(nonselective fading). Trong trường hợp ngược lại thì gọi là pha-đinh chọn lọc

4

theo tần số (selective fading). Pha-đinh cũng còn được phân chia thành pha-đinh

nhanh và pha-đinh chậm tuỳ theo mức độ phụ thuộc vào thời gian của một bit

hay một symbol. Đối với các hệ thống vô tuyến chuyển tiếp số mặt đất, do thời

gian của một bit (hay một symbol) khá nhỏ nên ta có thể coi là pha-đinh chậm,

pha-đinh chậm gây bởi sự che khuất (pha-đinh che khuất chuẩn log) còn trong hệ

thống thông tin di động, do tốc độ bit hiện còn khá nhỏ nên pha-đinh hầu như có

thể xem là các pha-đinh nhanh.

Khi một MS di động, do tại máy thu có rất nhiều tia tới (do các hiện tượng

phản xạ, tán xạ, nhiễu xạ từ các chướng ngại vật) và pha-đinh này còn được gọi

là pha-đinh đa đường.

Xét trường hợp đơn giản nhất, khi MS “dừng” và không có chướng ngại di

động. Do sóng tới MS theo rất nhiều đường khác nhau và nếu các tia này độc lập

nhau thì đường bao tín hiệu thu được sẽ có Pdf (Probability Density

Function_Hàm mật độ xác suất) Rayleigh, có dạng:

( )

( )

<

∞<≤

−

=00

02

exp)( 2

2

2

r

rrr

rf σσ (1.1)

5

Trong các hệ thống thông tin di động thì việc truyền dẫn đa đường là quan

trọng nhất do vậy pha-đinh đa đường cũng là quan trọng nhất.

1.1.1.3. Hiệu ứng Doppler

Hiệu ứng Doppler là sự thay đổi tần số của tín hiệu thu được so với tín hiệu đã

được phát đi, gây bởi chuyển động tương đối giữa máy phát và máy thu trong

quá trình truyền sóng. Khi MS di động so với BS hoặc khi các chướng ngại vật

di động thì các tia sóng tới máy thu MS còn chịu tác động của hiệu ứng Doppler.

Giả sử một sóng mang không điều chế fc được phát tới một máy thu đang di

động với vận tốc υ, như mô tả trong hình vẽ 1.2. Tại máy thu, tần số của tín hiệu

nhận được theo tia sóng thứ i sẽ là: f = fc + fm.cosαi

Trong đó αi là góc tới của tia sóng thứ i so với hướng chuyển động của máy

thu, fm là lượng dịch tần Doppler, c

ff c

m

υ= , với c là vận tốc ánh sáng.

6

Hình 1.2: Tác động của hiệu ứng Doppler

Tổng hợp các tác động của mọi tia sóng tới máy thu theo mọi góc khác trong

trường hợp tín hiệu phát là một sóng mang đơn không điều chế dẫn tới tín hiệu

nhận được tại máy thu là một tín hiệu trải rộng về mặt tần số với độ rộng băng WD

lên tới 2fm (tín hiệu thu được trong trường hợp này có tần số từ fc – fm đến fc + fm).

Đối với trường hợp tín hiệu phát là một tín hiệu điều chế với độ rộng băng tín hiệu

WS (tín hiệu phát có các thành phần tần số từ fc - WS/2 tới fc + WS/2) thì tín hiệu

nhận được sẽ trải ra trên một dải tần số có độ rộng tới cỡ WS + WD với tần số trung

tâm có thể khác với fc.

Như vậy, hiệu ứng Doppler có thể gây nên suy giảm chất lượng liên lạc một cách

trầm trọng. Chỉ trong trường hợp máy thu đứng yên so với máy phát (υ = 0), hoặc máy

thu đang chuyển động vuông góc với góc tới của tín hiệu (cosυ = 0) thì tần số tín hiệu

thu mới không bị thay đổi so với tần số tín hiệu phát.

Trong các hệ thống thông tin di động, việc máy thu đứng yên so với máy phát

không có nghĩa là không xảy ra hiệu ứng Doppler. Các tia sóng từ các vật phản

xạ di động như xe cộ, người đi lại… vẫn có thể gây nên tác động Doppler tới tín

hiệu thu được tại máy thu.

Hiệu ứng Doppler xảy ra mạnh nhất khi máy thu di động theo phương của tia

sóng tới (cosαi = ±1). Điều này thường xảy ra trong thông tin di động khi máy thu

đặt trên xe di chuyển trên các xa lộ, còn các ăng-ten trạm phát thì được bố trí dọc

7

theo xa lộ (được gắn trên các cầu vượt ngang xa lộ chẳng hạn). Khi góc tia sóng tới

α phân bố đều, tần số Doppler sẽ có phân bố cosine ngẫu nhiên. Mật độ phổ công

suất s(f) (Doppler) có thể được tính như sau:

Công suất tín hiệu tới theo góc dα là công suất Doppler s(f)df trong đó df là

vi phân theo α của lượng dịch tần Doppler fm.cosα dẫn đến việc truyền một sóng

mang không điều chế sẽ được thu như một tín hiệu nhiều tia, có phổ không còn

là một tần số fc đơn nữa mà là một phổ bao gồm các tần số thuộc ( )mc ff ± .

Tổng quát, nếu tín hiệu là một sóng mang có điều chế thì phổ thu được của

một MS có tốc độ cụ thể dạng:

2

mf

f1

As(f)

−

=

(1.2)

Trong đó A là hằng số, còn fm phụ thuộc vào tích của tốc độ υ và tần số truyền fc.

Hình 1.3: Phổ Doppler của một sóng mang không điều chế

1.1.1.4. Trải trễ

8

Trong thực tế, sóng mang được điều chế. Trong thông tin di động số, ảnh

hưởng của đặc tính truyền dẫn đa đường còn phụ thuộc nhiều vào tỷ số giữa độ

dài một dấu (Symbol) và độ trải trễ Δ của kênh vô tuyến biến đổi theo thời gian.

Độ trải trễ có thể xem như độ dài của tín hiệu thu được khi một xung cực hẹp

được truyền đi. Nếu số liệu được truyền đi với tốc độ thấp thì độ trải trễ có thể

được giải quyết dẽ dàng tại phần thu. Tuy thế nếu ta cứ tăng tốc độ truyền số liệu

lên mãi thì tới một lúc mỗi symbol số liệu sẽ trải hẳn sang các symbol số liệu lân

cận, tạo ra xuyên nhiễu giữa các dấu ISI (InterSymbol Interference) thì tỉ lệ lỗi

bit BER (Bit Error Rate) có thể sẽ lớn tới mức không chấp nhận được.

Hiện tượng trải trễ hạn chế tốc độ truyền tin: Tốc độ truyền (tốc độ bit), giả sử

là (1/T) để không xảy ra ISI (intersymbol interference: xuyên nhiễu giữa các

dấu) thì T phải ≥ ∆, tức là R = (1/T) < (1/∆) do vậy ∆ càng lớn, tốc độ truyền tin

càng nhỏ.

Hình 1.4: Trải trễ trong môi trường vô tuyến di động

9

Với thông tin di động trong nhà, picrocell và microcell: ∆ thường ≤ 500 ns =

0.5μs, do đó tốc độ tối đa có thể đạt được là 2 Mb/s mà có thể không cần san bằng

kênh.

Với hệ thống thông tin tế bào lớn ∆ có thể lên tới ≥ 10μs → để truyền tin với

tốc độ cao (≥ 64kb/s), nhất thiết phải có san bằng. Bảng 1.1 cho thấy số liệu trải trễ

trung bình đối với các môi trường khác nhau:

Loại môi trường Trễ trung bìnhTrong toà nhà < 0.1 μsVùng rộng thoáng < 0.2 μsKhu vực ngoại ô 0.5 μsKhu vực thành thị 3 μs

Bảng 1.1: Trải trễ trung bình trong các môi trường khác nhau

1.1.2. Phân loại kênh

Trong hệ thống thông tin di động thì kênh thông tin là không thể nói trước

được, do đó khi tiến hành dự đoán trước chất lượng của kênh thông tin là không

thể. Do vậy mà chất lượng của hệ thống thông tin di động được xác định bằng

cách tiến hành mô hình hoá kênh truyền trong thực tế dựa trên ba mô hình cơ bản

đó là mô hình Gaussian, Rician và Rayleigh.

1.1.2.1. Kênh Gaussian

Kênh Gaussian là một kiểu kênh truyền đơn giản nhất và cũng là một kênh lí

tưởng. Trong kênh này, nhiễu được tạo ra từ máy phát khi ta coi đường truyền là

lí tưởng như minh hoạ trên hình (1.5). Tạp âm này có mật độ phổ công suất là

hằng số trên kênh băng rộng và có hàm mật độ xác suất của biên độ có phân bố

10

Gaussian. Giả sử tín hiệu được truyền trên kênh Gaussian và tại máy thu, tín hiệu

thu được có dạng như sau:

r(t) = cs(t) + n(t) (1.3)

Trong đó:

c là hệ số tổn hao đường truyền và trong mô hình này thì c là hằng số

s(t) là tín hiệu truyền

n(t) là tạp âm được cộng thêm vào trên kênh truyền

Tạp âm n(t) là trên kênh không phụ thuộc vào tần số truyền và nó thường

được coi là tạp âm trắng, biên độ của nó được mô tả bằng một hàm pdf có phân

bố Gaussian có giá trị trung bình bằng 0 như sau:

222

22

1 σa

eπσ

p(a)−

= (1.4)

Trong đó: σ2 là phương sai của biến ngẫu nhiên a.

Hình 1.5: Hình vẽ minh hoạ mô hình kênh Gaussian và phân bố của r(t)

Kiểu kênh như mô tả ở trên được gọi là kênh tạp âm Gaussian cộng tính. Kiểu kênh

này cũng được sử dụng để đánh giá giới hạn trên cho chất lượng của các hệ thống.

11

Kênh Gaussian thường được coi là kênh lí tưởng, tuy nhiên điều này không hoàn toàn đúng như vậy. Trong các microcell và đặc biệt là trong các Picrocell kiểu kênh này thường hay xuất hiện. Ngoài ra, khi sử dụng các kĩ thuật phân tập, san bằng, mã kênh, mã dữ liệu … thì chất lượng của các hệ thống không mang đầy đủ tính chất của kênh Gaussian cũng có thể tiến sát được đến với chất lượng của kênh Gaussian.

1.1.2.2. Kênh pha-đinh Rayleigh

Phân bố Rayleigh thường được sử dụng để mô tả biên độ của các tín hiệu vô

tuyến di động trong khoảng thời gian ngắn. Một tín hiệu thu được tiêu biểu có

pha và đường bao pha-đinh có dạng như hình vẽ (1.6).

Xét một tín hiệu cosωt phát ra từ một máy phát và được truyền trên kênh vô

tuyến, khi đó tín hiệu thu được tại máy thu sẽ có dạng rcos(ωt + Φ) trong đó r là

biên độ có dạng phức, Φ là pha ngẫu nhiên có phân bố đều. Biên độ phức r có

thể được biểu diễn bởi hai thành phần ngẫu nhiên đồng pha I và vuông pha Q

độc lập nhau. Và độ lớn của r được tính theo công thức:

22 QIr += (1.5)

12

Hình 1.6: Pha và đường bao pha-đinh Rayleigh của một tín hiệu thu được tiêu

biểu khi MS di chuyển với vận tốc 30 mph, tại tần số 900 MHz

Tại máy thu, tín hiệu thu được có đường bao có phân bố Rayleigh hay phân

bố Ricean là phụ thuộc vào giá trị trung bình của các biến ngẫu nhiên I và Q.

Nếu giá trị trung bình của cả hai biến ngẫu nhiên này bằng 0 thì pdf của r có

phân bố Rayleigh và được tính như sau:

13

−=

222

2

σ/re

σ

rp(r) (1.6)

Hình 1.7: Hình vẽ minh hoạ mô hình kênh Rayleigh và phân bố của r(t)

1.1.2.3. Kênh Rician

Xét như kênh Rayleigh, nếu giá trị trung bình của các biến ngẫu nhiên không

bằng 0, tức là tại máy thu có xuất hiện thành phần đa đường là trội hay có xuất

hiện đường nhìn thẳng LOS thì khi đó pdf của biên độ phức r là phân bố Rician,

và đó là:

+=

20

2222

2 σ

ArI

σ/Are

σ

rp(r) (1.7)

Trong đó A là đỉnh của tín hiệu trội

I0(.) là hàm Bessel sửa đổi loại 1 và có bậc bằng 0.

Điều này dẫn đến một mô hình kênh như biểu diễn trên hình (1.3)

Hình 1.8: Hình vẽ minh hoạ mô hình kênh Rician và phân bố của r(t)

14

Hệ số Rician k miêu tả cường độ của tia LOS và được tính như sau:

22

2

σ

Ak = (1.8)

Khi k tiến tới vô cùng thì khi đó phân bố Rician trở thành một hàm delta, điều

này phù hợp với mô hình kênh Gaussian có tầm nhìn thẳng LOS, Khi k tiến tới 0

thì phân bố Rician sẽ chuyển thành phân bố Rayleigh.

1.1.2.4. Mô hình kênh Nakagami

Mô hình Nakagami là một mô hình hoàn toàn dựa trên việc phân tích các dữ

liệu đo đạc kinh nghiệm trên một quy mô lớn chứ không phải là dựa trên các

phân tích vật lí. Nhưng mô hình này lại cung cấp cho chúng ta một vài dữ liệu

kinh nghiệm gần với thực tế hơn là các phân bố Rayleigh, ricean hay phân bố

chuẩn log.

Phân bố Nakagami Mô tả đường bao tín hiệu thu được r(t)z(t) = bằng phân

bố như sau:

2

12exp

122 ≥

−

−= m

pΩ

mxmpΓ(m)Ω

mxmm(x)zp (1.9)

Trong đó: [ ]2zEpΩ = . Điều này được gọi là phân bố 2χ trung tâm với bậc m

tự do. Phân bố Nakagami thường được sử dụng để làm mô hình kênh pha-đinh đa

đường với các lí do sau: Thứ nhất, phân bố Nakagami có thể làm mô hình trong

các điều kiện kênh truyền bị pha-đinh kể cả khi bị lớn hơn hay nhỏ hơn pha-đinh

Rayleigh. Khi m = 1, thì phân bố Nakagami trở thành phân bố phân bố Rayleigh.

Khi m = 2

1 thì nó trở thành một phía của phân bố Gaussian, và khi m → ∞ thì nó

trở thành một xung (không phải là pha-đinh). Thứ hai, phân bố Nakagami có thể

tiến tới phân bố Ricean theo mối quan hệ sau:

15

mmm

mmK

−−

−=2

2Với m > 1 (1.10)

( )12

21

++=

K

Km (1.11)

1.1.2.5. Kênh trong nhà (Indoor Channel)

Kênh vô tuyến trong môi trường indoor có kích thước nhỏ, thường là các tế

bào có kích thước nhỏ, do đó độ trải trễ nhỏ (Độ rộng các thùng - “Bin” - thường

không vượt quá 500 ns). Trong môi trường này, tốc độ truyền có thể đạt lớn (tới

2 Mb/s) mà không cần san bằng kênh.

1.1.2.6. Kênh ngoài trời (Outdoor Channel)

Kênh vô tuyến di động ngoài trời có kích thước tế bào lớn do đó có vô số các

chướng ngại vật trên đường truyền và làm cho việc phân tán kênh lớn gây ra trải

trễ có thể đạt rất lớn, do vậy hạn chế tốc độ truyền và nếu muốn truyền với tốc

độ cao thì phải sử dụng san bằng kênh.

1.2. Bài toán tính toán quỹ công suất

Tính toán quỹ công suất hay quỹ đường truyền là cân đối toàn bộ công suất

phát cũng như khuếch đại của các phần tử trên đường truyền với tổn hao gây ra

do các phần tử đường truyền cùng với dự trữ pha-đinh đường truyền để nhận

được công suất thu tại máy thu. Công suất thu này phải đủ lớn để đảm bảo tí số

tín hiệu trên tạp âm yêu cầu ở máy thu (Eb/N0’)req để máy thu có thể khôi phục lại

thông tin phát với chất lượng yêu cầu. Tổn hao cực đại đáp ứng diều kiện này

được gọi là tổn hao cực đại cho phép. Ta cần xác định tổn hao này ở cả đường

lên và đường xuống. Tổn hao cực đại cho phép nhỏ hơn trong hai trường hợp

này được gọi là giới hạn vùng phủ của ô và dịch vụ. Thông thường vùng phủ bị

giới hạn bởi đường lên do có thể đảm bảo được công suất đường xuống cao hơn

đường lên. Chẳng hạn nếu tổn hao cực đại cho phép ở đường lên là 130 dB còn

16

tổn hao này ở đường xuống là 125 dB thì ta phải đảm bảo tổn hao không vượt

quá 130 dB và trong trường hợp này ta nói rằng vùng phủ hay dịch vụ giới hạn

theo đường lên.

Đối với hệ thống CDMA 2000 1x, do sử dụng vocoder tiên tiến hơn và sử dụng

giải điều chế nhất quán nên nó đảm bảo quỹ đường truyền tốt hơn IS-95A/B khi tải

lưu lượng như nhau. Do vậy tải lưu lượng như nhau, CDMA 2000 1x cung cấp tổng

dung lượng cao hơn. Tuy nhiên khi quy hoạch mạng thông thường các thông số trước

đây sử dụng cho IS-95 vẫn được sử dụng vì thực tế vẫn là các thuê bao RC1 và RC

(RC_Radio configuration) được sử dụng.

Đối với các dịch vụ số liệu gói, do việc cải thiện sơ đồ điều chế và mã hoá

(nên Eb/N0’ thấp hơn) nên số liệu gói với tốc độ 38.2 Kbps ở CDMA 2000-1x

gần như cũng có cùng quỹ đường truyền như vocoder tiếng 13 Kbps của IS-95.

Nhưng tại các dịch vụ có tốc độ dữ liệu cao hơn thì quỹ đường truyền sẽ giảm do

rất nhiều nguyên nhân khác nhau trong đó có độ lợi xử lý cũng như việc phân bổ

công suất. Đối với CDMA 2000-1x, dịch vụ thoại được ưu tiên nên số liệu gói

chỉ được sử dụng phần công suất còn lại.

Mật độ phổ tạp âm máy thu

Mật độ phổ tạp âm máy thu được tính theo phương trình sau:

NT = (N x NF) [dB]

= 10lg(290 x 1.38 x 10-23) + NF + 30 + 10lgBw [dB/Hz] (1.12)

Trong đó : N: Tạp âm nhiệt ở đầu vào máy thu

NF: Hệ số tạp âm của máy thu

Bw: Độ rộng kênh bằng tốc độ trải phổ

Độ nhạy cần thiết của máy thu để đảm bảo tỷ số (Eb/N0’)req yêu cầu được xác

định như sau:

17

req'TN

bE

pGreq

)IT(NbE

pGITN

P

×=

+×=

+ 0

1

00

1min (1.13)

Trong đó: Pmin: Là độ nhạy máy thu cần thiết để đảm bảo tỷ số (Eb/N0)req yêu cầu.

Gp: Là độ lợi xử lý.

NT và I: Là tạp âm nhiệt và nhiễu từ các người sử dụng khác

NT0 và I0: là mật độ tạp âm nhiệt và nhiễu từ các người sử dụng

khác.

NT0’ = NT0 + I0: là mật độ phổ công suất tạp âm tương đương.

Từ phương trình (1.13) ta được:

Pmin = (NT + I) [dBm] - Gp [dB] + (Eb/N0’)req [dB] (1.14)

NT + I = NT × MI hay (NT + I) [dBm] = NT [dB] + MI [dB] (1.15)

Trong đó: MI: Là nhiễu giao thoa của nhiều người sử dụng khác nhau.

Tổn hao cực đại cho phép đường lên:

Tổn hao cực đại cho phép đường lên được tính như sau:

Lmax = EIRPm - Pmin + Gp – Lf – Lpenet – Mf – F – Ml – F + GHO + GDiv (1.16)

Trong đó: EIRPm = Ptxm – Lfm – Lb + Gm là công suất phát xạ hiệu dụng của máy di

động và Ptxm, Lfm, Lb, Gm là công suất phát, tổn hao phider + đầu nối, tổn

hao cơ thể và hệ số khuếch đại ăng-ten của máy di động.

Gb: là hệ số khuếch đại ăng-ten

Lf = GTa + LJC1 + LL + Lph + LJC2 + LDup, là tổng các khuếch đại và

tổn hao sau của BTS:

GTa: Khuếch đại của bộ khuếch đại ăng-ten

LJC1 và LJC2: là tổn hao cáp nhảy và bộ đấu nối với ăng-ten và bộ

đấu nối với máy phát.

LL: là tổn hao chống sét

Lph: là tổn hao phider

18

LDup: là tổn hao ghép song công

Lpenet: Là tổn hao thâm nhập

Mf – F và Ml – F: Là dự trữ ăng-ten nhanh và pha-đinh chuẩn loga.

GHO: Là độ lợi chuyển giao mềm

GDiv: là độ lợi phân tập pha-đinh

Bảng 1.2 cho ta ví dụ tính toán quỹ đường lên cho người sử dụng dịch vụ số

liệu tốc độ 14,4 Kbps trong nhà ở hệ thống CDMA 2000-1x.

Quỹ đường xuống:

Quỹ đường xuống được tính theo các phương trình sau:

Tổng công suất của một trạm được xác định như sau:

Ptổng = 10lg(100.1Pll + 10Pht + 10Pdb + 1010Ptg ) [dBm] (1.17)

Trong đó: PTổng: Là tổng công suất phát trạm ô (dBm)

Pdb: Là tổng công suất kênh đồng bộ (dB)

Pht: Là công suất kênh pilot

Ptg: Là công suất kênh tìm gọi

Pll: Là công suất kênh lưu lượng

Công suất phát kênh lưu lượng đỉnh cho một người sử dụng được xác định

như sau:

Pngười sử dụng = Pll – 10lgυ – 10lgKtổng [dBm] (1.18)

Trong đó: Pngười sử dụng = Công suất phát kênh lưu lượng đỉnh một người sử dụng

(dBm)

υ = Hệ số tích cực tiếng.

Ktổng = K(1+ηHO); Ktổng là số kênh lưu lượng tích cực cực đại gồm K

kênh sử dụng trong đoạn ô và các kênh bổ xung cho chuyển giao mềm.

ηHO = % bổ xung điều khiển kênh lưu lượng cho chuyển giao mềm

19

Công suất phát xạ đẳng hướng tương đương tổng và một người sử dụng kênh

lưu lượng được tính như sau:

EIRPtổng = Ptổng – Lf + Gb (1.19)

EIRPngười sử dụng = Pngười sử dụng – Lf + Gb (1.20)

Công suất tổng và công suất kênh lưu lượng một người sử dụng thu tại MS

được xác định như sau:

Pr.tổng = EIRPtổng – GL (1.21)

Pr.người sử dụng = EIRPngười sử dụng – GL (1.22)

Trong đó: Pr.tổng: Là tổng công suất thu tại MS

Pr.người sử dụng: Là công suất kênh lưu lượng mà người sử dụng thu tại

được tại MS.

GL = Lp + Lpenet – Gm + Lp + Lb + MF

Lp: Là tổn hao truyền sóng trung bình giữa trạm ô và MS (dB)

Lpenet: Là tổn hao thâm nhập (dB)

Gm: Là hệ số khuếch đại ăng-ten MS (dBi)

Lb: Là tổn hao cơ thể/ định hướng (dB)

Lf: Là tổng các tổn hao do phidơ, các dây nhẩy, chống sét và

bộ nối MS (dB)

MF: Là độ dự trữ pha-đinh (dB)

Mật độ phổ nhiễu giao thoa trong ô do các người sử dụng khác cùng ô gây ra

được xác định như sau:

Ic = 10lg(100,1Pr.tổng – 100,1Pr.người sử dụng ) – 10Rc [dBm/Hz] (1.23)

Trong đó: Rc: là tốc độ chip

Mật độ phổ nhiễu giao thoa ngoài ô gây ra do các người sử dụng từ các ô khác

được xác định như sau:

Ioc = Ic + 10lg(1/fr – 1) [dBm/Hz] (1.24)

20

Trong đó: fr là thừa số tái sử dụng thường được chọn bằng 0.5 ÷ 0.65

Tổng mật độ nhiễu giao thoa sẽ là:

I0 = 10lg(100,1Ic + 100,1Ioc) [dBm/Hz] (1.25)

Mật độ phổ tạp âm nhiệt máy thu được tính theo phương trình sau:

NT = 10lg(290 × 1,38 × 10-23) + NF + 30 [dBm/Hz] (1.26)

Trong đó: NF là hệ số tạp âm đối với MS

Năng lượng trên bit cho một kênh sẽ là:

Ebr = Pr.người sử dụng / Rb → Pr.người sử dụng - 10lgRb [dBm/Hz] (1.27)

Trong đó: Rb = tốc độ số liệu trên kênh.

Có thể tính Eb/N0’ cho một kênh như sau:

000IN

brE

'N

brE

+= = Pr. người sử dụng – 10lgRb – 10lg(100,1N0 + 100,1I) [dB] (1.28)

Bảng 1.3 là thí dụ tính quỹ đường xuống cho người sử dụng dịch vụ số liệu tốc

độ 14,4 Kbit/s trong nhà ở hệ thống CDMA 2000-1x.

Bảng 1.2: Thí dụ tính quỹ đường lên cho dịch vụ số liệu tố độ Rb = 14,4 Kbps

trong nhà

Máy phát (MS)Công suất máy phát (23 dBm) 23 PTx

Tổn hao cáp (dB) 2 Lfm

Tổn hao cơ thể (dB) 3Công suất máy phát xạ đẳng hướng

tương đương (dBm)18

EIRPm

Máy thu (Trạm gốc)Mật độ phổ tạp âm nhiệt (dBm/Hz) -174,0 N0

Hệ số tạp âm máy thu (dB) 5,0 NFCông suất tạp âm nhiệt máy thu (dBm),

tính cho 3,6864 Mchip/s-108,4

NT = N0 + NF

+ 10lg(3,6864x106)Dự trữ nhiễu giao thoa ở máy thu 3,4 dB MT, hệ số tải 55 %Tổng tạp âm + nhiễu giao thoa -105,03 (NT + I) [dB] = NT + MI

21

Độ lợi xử lý (dB) 24,0 GP = 10lg(3.686.400/14.400)Tỷ số SNR yêu cầu (dB) 7 (EP/NT0

’)req, phụ thuộc dịch vụĐộ nhạy máy thu hiệu dụng (dBm)

-122,03Pmin= (NT + I)[dBm] - GP[dB]

+ (Eb/NT0’)req [dB]

Khuếch đại ăng-ten trạm gốc (dBi) 17,14 Gb

Khuếch đại của bộ khuếch đại đặt ở tháp

ăng-ten (dB)0

GTa

Tổn hao bộ nối và cáp nhảy 1 (dB) 0,25 LJC1

Tổn hao phi dơ (dB) 1 dB Lph

Tổn hao chống sét (dB) 0,25 LL

Tổn hao bộ nối và cáp nhảy 2 (dB) 0,25 LJC2

Tổn hao bộ ghép song công (dB) 0,5 LDup

Tổng tổn hao (dB) 2,25 Lf

Dự trữ pha-đinh nhanh (dB) 0 Mf-F

Dự trữ pha-đinh chuẩn log (dB) 10 Ml-F

Tổn hao thâm nhập toà nhà (dB) 10 Lpenet

Độ lợi chuyển giao mềm (dB) 4 GHO

Độ lợi phân tập thu(dB) 0 GDiv

Tổn (dB)hao đường lên cực đại cho

phép138,9

Lmax = EIRP – Pmin + Gb – Lf -

Lpenet - Mf-F – Ml-F + GHO + GDiv

Bảng 1.3: Thí dụ tính quỹ đường xuống cho dịch vụ số liệu trong nhà 14,4 Kbps

giới hạn theo đường lên.

Máy phát (Trạm gốc)Công suất đầu ra bộ khuếch đại công suất (dBm)

39,0Ptổng = 8 W

Công suất kênh hoa tiêu (dBm) 30,8 Pht = 1,2 W; 15,0%Công suất kênh đồng bộ (dBm)

20,8Pdb = 0,12W; 10,0% công suất kênh hoa tiêu

Công suất kênh tìm gọi (dBm) 36,2

Ptg = 0,417W; 35% công suất kênh hoa tiêu

Công suất kênh lưu lượng (dBm)38,0

Pll = 6,31W; 78,9% công suất lớn nhất trên một kênh

Số kênh lưu lượng sử dụng cho các MS trong ô

13K

22

Thừa số chuyển giao mềm 0,85 ηHO

Số kênh lưu lượng tích cực cực đại (dB)

13,810lgKtổng = 10lg(1+ ηHO)K

= 10lg24

Hệ số tích cực tiếng (dB)-3

10lgυ; tiếng = 10lg(0,479) Số liệu = 10lg(1,0)

Công suất phát kênh lưu lượng đỉnh (dBm)

27,2Pngười sử dụng = Pll – 10lgυ – 10 lgKtổng

Tổn hao bộ ghép song công (dB) 0,5 LDup

Tổn hao bộ nối và cáp nhẩy 1 (dB)

0,25LJC1

Tổn hao chống sét (dB) 0,25 Ll

Tổn hao Phidơ (dB) 1 Lf

Tổn hao bộ nối và cáp nhẩy 2 (dB)

0,25 dBLJC2

Tổng tổn hao (dB) 2,25 Lf

Hệ số khuếch đại ăng-ten (dBd) 15 Gb(dBd)Hệ số khuếch đại ăng-ten (dBi) 17,14 Gb(dBi) = Gb(dBd) + 2,14Công suất phát xạ đẳng hướng tương đương cho kênh lưu lượng của một người sử dụng (dBm)

42,1 EIRPngười sử dụng = Pngười sử dụng – Lf + Gb; 16,2 W

Tổng công suất phát đẳng hướng tương đương của trạm gốc (dBm)

53,8EIRPtổng = Ptổng – Lf + Gb; 24,5 W

Môi trường Dự trữ pha-đinh 10 dB MF

Tổn hao truy nhập 10 dB Lpenet

Máy thu (MS)Mật độ phổ tạp âm nhiệt (dBm/Hz)

-174N0 = 10lg(290 x 1,38 x10-23) + 30

Hệ số tạp âm máy thu (dB) 8 NFMáy phát (Trạm gốc)Mật độ phổ tạp âm nhiệt máy thu (dBm/Hz)

-166NT = N0 +NF; 2,51.10-17

Khuếch đại ăng-ten MS (dBi) 0 Gm

Tổn hao cơ thể (dB) 3 Lb

Tổn hao phidơ, bộ nối … (dB) 0 Lf

Tổn hao môi trường (dB) 15 MF + Lpenet

Tổn hao đường truyền cho phép cực đại theo giới hạn đường lên (dB)

138,9Lp

Tổng suy hao (dB) 156,9 GL = Lp + Lpenet – Gm + Lb + Lf + MF Công suất thu kênh lưu lượng của người sử dụng (dBm)

-114,8Pr.người sử dụng = EIPRngười sử dụng – GL; 3,3.10-12 W

Tổng công suất thu tại MS (dBm) -103,1 Pr.tổng = EIPRtổng – GL; 501,2.10-13 W

23

Mật độ phổ nhiễu giao thoa trong ô (dBm/Hz)

-162Ic = 10lg(100,1Pr.tổng – 100,1Pr.người sử dụng) – 10lg(1,2288.106); 6,31.10-17

Hệ số tái sử dụng tần số (dB) -2,7 10lg(1/fr – 1), fr = 0,65Mật độ phổ nhiễu từ các ô khác (dBm/Hz)

-164,7Ioc = Ic + 10lg(1/fr – 1); 3,39.10-17 W

Tổng mật độ phổ nhiễu (dBm/Hz) -160,1 I0 = 10lg(100,1Ic + 100,1Ioc); 9,7.10-17

Tổng mật độ phổ tạp âm và nhiễu (W/Hz)

12,21.10-17 N0’ = NT + I0

Năng lượng trên bit thông tin (W/Hz)

2,29.10-16 Eb = Pr.người sử dụng/Rb ; Rb = 14,4 Kbps

Tỷ số tín hiệu trên tạp âm đầu ra máy thu MS (dB)

3,710lg(Eb/N0

’)

1.3. Vấn đề phủ sóng trong quy hoạch mạng, thiết kế vô tuyến và tối ưu hoá

mạng

1.3.1. Khái quát về quy trình thiết kế mạng vô tuyến di động

1.3.1.1. Dự báo lưu lượng

Việc quy hoạch mạng phải dựa trên nhu cầu về lưu lượng. Dự báo lưu lượng là

bước đầu tiên cần thiết trong quá trình quy hoạch mạng. Dự báo lưu lượng có thể

thực hiện trên cơ sở xu thế phát triển lưu lượng các mạng đã được khai thác.

Trong trường hợp mạng mới được khai thác lần đầu, việc dự báo lưu lượng phải

dựa trên sự đánh giá một số yếu tố như: sự phát triển kinh tế xã hội, thu nhập bình

quân đầu người, mật độ điện thoại di động (thế hệ 2), nhu cầu về sử dụng internet

trung bình, và các số liệu trung bình tương tự khác của thị trường cần phục vụ.

Tính toán lưu lượng được thức hiện theo hai phương pháp: Phương pháp dự

báo và phương pháp phát hiện. Phương pháp dự báo bao gồm việc phân tích chi

tiết lưu lượng thoại hiện có, tỷ suất chiếm và độ rộng băng tần cho từng thuê bao

dựa trên công tác tiếp thị cũng như kết quả phát triển thuê bao. Sau đó phân tích

nhu cầu trên cho các vùng hoặc cho các BTS tương ứng để đạt được khối lượng

lưu lượng dự báo. Tiếp theo là chi tiết hoá ở các mức phần tử kênh, các sơ đồ

24

triển khai 1x/DO… Phương pháp thứ hai là phương pháp phát hiện. Ở phương

pháp này kênh 1x thay cho kênh F1 hoặc kênh F2 hiện có (trong đó F1, F2 là hai

sóng mang, F1 dành cho 1x còn F2 dành cho 1x EV-DO để truyền số liệu). Ở

đây ta xác định số lượng MS có khả năng CDMA2000-1x sau đó ta nhân chúng

với 70Kbps. Ta có thể coi rằng mọi MS khởi đầu hoạt động ở giờ cao điểm và

đánh giá khối lượng lưu lượng ở các BTS tham gia có nâng cấp đến

CDMA2000-1x/EV-DO.

1.3.1.2. Dự báo số thuê bao

Đối với thị trường cần phục vụ, cần phải đánh giá tổng số thuê bao. Về lí

tưởng có thể chia việc đánh giá cho từng tháng để có thể lấy được xu thế phát

triển của thuê bao. Điều này là cần thiết khi quy hoạch mạng ta cần dự phòng

tương lai. Nếu có thể cung cấp các dịch vụ khác nhau, thì cũng cần dự báo cho

từng loại thuê bao liên quan đến từng loại dịch vụ. Chẳng hạn nhà khai thác

mạng có thể chọn cung cấp các tổ hợp dịch vụ nào đó gồm chỉ tiếng, hoặc tiếng

và số liệu, hoặc chỉ số liệu. Ngoài ra các dịch vụ số liệu cũng có thể được chi

thành các dịch vụ và các loại thiết bị khác nhau.

1.3.1.3. Dự báo sử dụng lưu lượng tiếng

Dự báo sử dụng dịch vụ tiếng bao gồm đánh giá khối lượng lưu lượng tiếng do

người sử dụng dịch vụ tiếng trung bình tạo ra. Lý tưởng cần cung cấp dữ liệu đánh

giá cho từng tháng. Dữ liệu tiếng phải bao gồm phân bố lưu lượng: từ MS đến cố

định, từ MS đến MS, từ MS đến Email. Đối với từ MS đến cố định cần phân

thành: số % nội hạt và đường dài. Lý tưởng thông tin dữ liệu về người sử dụng

tiếng phải bao gồm số cuộc gọi trên một thuê bao trung bình ở giờ cao điểm và

thời gian chiếm giữ trung bình MHT (Medium Hour Time) trên cuộc gọi.

1.3.1.4. Dự báo sử dụng lưu lượng số liệu

25

Như đã nói ở trên ta cần phân loại các người sử dụng dịch vụ số liệu gói và dự

báo cho từng kiểu người sử dụng cũng như khối lượng thông lượng số liệu. Ta

cũng cần dự báo khi nào thì thông lượng bắt đầu và kết thúc. Để minh hoạ cho

điều này, ta xét ví dụ sau: Giả sử một người sử dụng có dịch vụ trình duyệt Web

cộng với Email do người khai thác cung cấp. Khi này một khối lượng lưu lượng

được kết cuối tại Email Server trong mạng của người khai thác, còn một khối

lượng lưu lượng khác sẽ được kết cuối gửi đến và nhận về từ mạng Internet.

Định kích cỡ giao diện với hệ thống Email và với Internet sẽ phụ thuộc vào khối

lượng lưu lượng liên quan đến dịch vụ này. Ngoài ra hệ thống Email cũng cần

định kích cỡ để đáp ứng yêu cầu cho tổng số người sử dụng, tổng bộ nhớ lưu trữ

và tổng lưu lượng vào ra. Đối với từng kiểu người sử dụng và dịch vụ ta cần thực

hiện phân tích tương tự để xác định sự sử dụng trong giờ cao điểm. Nước ta

trong những năm gần đây nhu cầu lưu lượng thoại tăng tăng ổn định còn nhu cầu

về lưu lượng gói tăng lên nhanh.

1.3.2. Thiết kế vô tuyến cho mạng tổ ong/PCS

Người thiết kế cần xem xét nhiều yếu tố khi thiết kế mạng tổ ong /PCS cho

vùng thành phố. Chẳng hạn mức độ phủ sóng cho các vị trí trong nhà, chất lượng

dịch vụ cho các môi trường khác nhau, sử dụng hiệu quả phổ tần và phát triển

mạng là các nhân tố quan trọng cần được các nhà khai thác dịch vụ tương lai

đánh giá kỹ lưỡng. Thông thường các yếu tố này lại trở nên phức tạp hơn do các

hn chế tạo ra bởi môi trường khai thác và các quy định luật pháp. Nhà thiết kế

phải cân đối kỹ lưỡng tất cả các vấn đề trên để đảm bảo rằng mạng bền vững,

chịu được tương lai và có chất lượng dịch vụ cao.

1.3.3. Quy hoạch mạng vô tuyến

Đánh giá cấp độ phục vụ (GOS: Grade Of Service) bao gồm xác suất phủ sóng

vùng và chặn. Xác xuất phủ sóng của vùng liên quan đến chất lượng quy hoạch

26

mạng và dung lượng của mạng. Chặn được xây dựng trên cơ sở các các tài

nguyên hiện có. Ta có thể xác định xác suất phủ sóng của vùng bằng ngừng.

Ngừng xảy ra khi mạng không thể cung cấp chất lượng dịch vụ quy định. Nếu hệ

thống có phủ sóng giới hạn có thể định nghĩa ngừng như là xác xuất khi tổn hao

đường truyền và che tối vượt quá hiệu số giữa công suất phát cực đại và mức thu

tín hiệu yêu cầu. Các chỉ tiêu chất lượng và dịch vụ đòi hỏi sự cân nhắc giữa chất

lượng và tổng giá thành mạng. Xác xuất ngừng càng thấp có nghĩa là ô càng nhỏ

và vì thế giá thành mạng cao, xác xuất ngừng do nhiễu càng nhỏ, có nghĩa là

dung lượng càng thấp và giá thành cao. Xác xuất ngừng từ (5-10)% tương ứng

với xác xuất phủ sóng (90-95)% thường được sử dụng. Xác xuất phủ sóng có thể

khác nhau đối với các dịch vụ khác nhau.

Có rất nhiều yếu tố tham gia vào quá trình quy hoạch mạng. Quy hoạch mạng

phải xét đến các vấn đề như phân bố lưu lượng, triển khai ô vi mô và vĩ mô, đảm

bảo phủ sóng trong nhà và tốc độ bit cao, bố trí các ô, giá thành đài trạm, các vấn

đề liên quan đến mĩ quan môi trường như vẻ ngoài của ăng-ten, cách đi cáp…

1.3.4. Thiết kế đường truyền vô tuyến

Đối với mọi hệ thống thông tin vô tuyến, bước quan trọng đầu tiên là thiết kế

đường truyền vô tuyến. Điều này cần thiết để xác định mật độ trạm gốc ở các

môi trường khác nhau cũng như trong các vùng phủ tương ứng. Đối với hệ thống

thông tin di động cần cung cấp các dịch vụ chất lượng tốt trong nhà và ngoài trời,

cần kết hợp tính mền dẻo và linh hoạt trong thiết kế. Công suất phát của máy

cầm tay sẽ là yếu tố quyết định cho một hệ thống CDMA với công suất đường

kên/đường xuống.

27

Mặc dù có hệ số khuếch đại ăng-ten không ảnh hưởng đến quá trình cân bằng

quỹ đường truyền, nhưng nó là một nhân tố quan trọng khi thiết kế quỹ công suất

cho vùng phủ. Từ quan điểm của người sử dụng, mạng tổ ong/PCS phải hàm ý

rằng có một hạn chế nhỏ cho việc phát hay thu cuộc gọi trong nhà hay trong ô tô.

Một hệ thống phải được thiết kế để ăng-ten của máy cầm tay có thể đặt ở vị trí

không tối ưu. Ngoài ra thậm chí có thể không cần rút ăng-ten khi thu hoặc phát

cuộc gọi. Ở các thiết kế hệ thống, thông thường hệ số khuếch đại ăng-ten được

coi là 0dBi. Tuy nhiên để ăng-ten của máy cầm tay có thể đặt ở vị trí không tối

ưu lắm, cần sử dụng hệ số khuếch đại hợp lí hơn: -3dBi. Trong thực tế do đặt

ăng-ten ở vị trí bất kỳ hay với ăng-ten thụt vào trong máy cầm tay nên có thể cho

phép hệ số -6dBi đến -8dBi phụ thuộc vào từng máy cầm tay và thiết kế vỏ máy.

1.3.5. Ước tính thông số ô

Số người sử dụng và tải lưu lượng phục vụ trên người sử dụng được sử dụng

để xác định tổng tải lưu lượng. Biết dung lượng ô và phủ sóng của ô, có thể thực

hiện đánh giá số ô.

Dung lượng ô được xác định bằng các mô phỏng và các công thức giải tích. Tốc độ

thông tin người của sử dụng, các yêu cầu chất lượng phục vụ, QoS (trễ, BER/FER) và

xác xuất ngừng là các yếu tố quan trọng để xác định dung lượng hệ thống.

Quỹ đường truyền được sử dụng để xác định vùng phủ cực đại của ô. Ngoài

Eb/It, các yếu tố đặc thù thiết bị như tổn hao cáp, hệ số khuếch đại ăng-ten và hệ

số tạp âm máy thu cũng là các yếu tố cần thiết để tính toán quỹ đường truyền.

Độ lợi chuyển giao mềm có ảnh hưởng lớn đến quỹ đường truyền. Độ lợi

chuyển giao mềm phụ thuộc vào tương quan che tối và xác xuất phủ sóng. Chuyển

giao mềm đảm bảo độ lợi phân tập vĩ mô nhờ tăng khả năng phân tập. Độ lợi thực

tế phụ thuộc vào moi trường vô tuyến và số “ngón” của máy thu RAKE. Vì mỗi

28

môi trường vô tuyến có đặc tính riêng, nên để dự báo vùng phủ sóng chi tiết cần

có một thừa số hiệu chỉnh cho các mô hình tổn hao đường truyền

Đối với đường lên, ảnh hưởng của thừa số tải ρ lên quỹ đường truyền với dự

trữ nhiễu Im (dB) có thể được xác định từ biểu thức:

−

=ρmI

1

1lg10 (1.29)

Vì dự trữ nhiễu tăng cùng với ρ nên vùng phủ của ô sẽ giảm cùng với sự tăng

của thừa số tải. Khi tính toán quỹ năng lượng đường truyền cần tính tải lưu lượng

không đối xứng. CDMA có thể giảm dung lượng đường lên để được vùng phủ.

Sau khi nhận được các thông số ô cần bắt đầu quy hoạch chi tiết mạng vô tuyến

số bằng cách xét đến môi trường chính xác nơi sẽ đặt ô. Do giá thành các đài trạm,

các yêu cầu phân vùng, các hạn chế của toà nhà và các lí do khác, có thể không đạt

được các đài trạm tối ưu như trong thiết kế. Điều này có ảnh hưởng đến kế hoạch

phủ sóng ban đầu. Để quy hoạch mạng chi tiết, cần sử dụng công cụ phần mền quy

hoạch mạng, phần mền quy hoạch mạng có bản đồ dân số vùng định quy hoạch.

Chiều cao các toà nhà và búp sóng ăng-ten cũng được mô hình hoá. Quá trình tối ưu

vùng phủ mạng vô tuyến bao gồm:

Mô tả chi tiết môi trường vô tuyến

Quy hoạch công suất kênh điều khiển

Quy hoạch các thông số các chuyển giao mền

Quy hoạch chuyển giao giữa các tần số

Phân tích vùng phủ mạng lặp nhiều lần

Đo kiểm mạng

1.3.6. Quy hoạch phủ sóng

Mục tiêu thiết kế quan trọng nhất của mạng tổ ong/PCS là đảm bảo vùng phủ

sóng vô tuyến ở hầu hết mọi nơi. Một trong vấn đề quan trọng cần xem xét trong

29

quá trình quy hoạch vùng phủ là mô hình truyền sóng. Độ chính xác của việc dự

đoán bằng một mô hình nhất định phụ thuộc vào khả năng của mô hình này thể

hiện được cụ thể mặt đất, cây cối và các toà nhà. Độ chính xác này có tầm quan

trọng sống còn để xác định tổn hao đường truyền và từ đó xác định kích thước ô,

yêu cầu hạ tầng của mạng tổ ong/PCS. Đánh giá thái quá dẫn đến việc sử dụng

không hiệu quả các tài nguyên mạng, còn đánh giá thấp dẫn đến phủ vô tuyến

kém. Thông thường các mô hình truyền sóng có xu hướng quá đơn giản hoá các

điều kiện truyền sóng thực tế và có thể thiếu chính xác ở các điều kiện thành phố

phức tạp. Các mô hình truyền sóng thực nghiệm chỉ có tính chất hướng dẫn

chung mà thôi, chúng quá bị đơn giản hoá làm cho việc thiết kế thiếu chính xác.

Để có được thông tin về vùng phủ cho môi trường thành phố cần thực hiện các

phép đo hiện trường chính xác. Các số liệu đo phải sử dụng hoặc trực tiếp trong

quá trình quy hoạch mạng để đạt được tính khả thi của từng trạm hoặc giám tiếp

để hiệu chỉnh các hệ số của mô hình truyền sóng thực nghiệm nhằm thể hiện đặc

trưng môi trường cụ thể tốt hơn.

Truyền sóng trong môi trường thành phố bị hiện tượng che tối. Để đảm bảo

rằng 90% diện tích ô bằng hoặc lớn hơn ngưỡng quy định, cần đưa vào quỹ

đường truyền dự trữ pha-đinh che tối (Phụ thuộc vào độ lệch tiêu chuẩn của mức

tín hiệu). Đối với môi trường thành phố điển hình, cần sử dụng dự trữ pha-đinh

che tối bằng 8-9dB trên cơ sở coi rằng tổn hao đường truyền tuân theo luật hàm

mũ 2-5 đảo, nghĩa là tổn hao đường truyền tỉ lệ nghịch khi khoảng cách tăng

theo mũ 2-5. Giá trị công suất phụ thuộc vào các đặc trưng truyền sóng.

Một nhân tố quan trọng khác ảnh hưởng đến vùng phủ vô tuyến là tổn hao thâm

nhập sóng vào các toà nhà và ô tô. Nếu vùng phủ phần ngoài toà nhà đủ, thì cần

coi rằng tổn hao thâm nhập là 10-15dB. Tuy nhiên để đảm bảo khởi xướng và thu

cuộc gọi ở giữa các toà nhà cần sử dụng tổn hao thâm nhập 30dB. Tương tự đối

30

với phủ sóng trong ô tô tổn hao thâm nhập cũng rất quan trọng. Ô tô con sẽ bị tổn

hao thâm nhập 3-6dB, trong khi đó các xe tải và xe Bus có tổn hao thâm nhập lớn

hơn. Tổn hao thâm nhập ở đầu xe tải không lớn hơn ở xe con nhưng tổn hao ở

phía sau có thể tới 10-12dB phụ thuộc vào không gian cửa sổ. Như vậy đối với các

mục đích thiết kế, cần cho phép tổn hao thâm nhập cao để đảm bảo chất lượng

phục vụ tốt. Đối với môi trường trong thành phố, tổn hao thâm nhập trong toà nhà

là quan trọng nhất vì thế tổn hao thâm nhập trong ô tô sẽ đủ.

Các mô hình truyền sóng được sử dụng để xác định số lượng BS cần để đảm

bảo các yêu cầu phủ sóng cho mạng. Thiết kế ban đầu thường được thực hiện

cho vùng phủ. Phát triển tiếp theo của thiết kế mạng là tính toán dung lượng.

Một số hệ thống có thể cần khởi đầu với vùng phủ rộng và dung lượng cao, nên

có thể khởi đầu giai đoạn phát triển sau.

Yêu cầu vùng phủ đi cùng với các yêu cầu về tải lưu lượng, chúng dựa trên

mô hình truyền sóng được chọn để xác định phân bố lưu lượng hay chuyển tải từ

một BS sang các BS khác trong chương trình giảm nhẹ dung lượng. Mô hình

truyền sóng hỗ trợ việc xác định vị trí đặt các BS để đạt được vị trí tối ưu trong

mạng. Nếu mô hình truyền sóng được sử dụng không hiệu quả để hỗ trợ cho việc

đặt trạm đúng, thì xác xuất triển khai sai BS trong mạng sẽ cao.

Chất lượng của mạng bị tác động của mô hình truyền sóng được chọn, vì mô

hình này được lựa chọn để dự đoán nhiễu. Thí dụ nếu mô hình truyền sóng

không chính xác 6dB và nếu coi rằng yêu cầu thiết kế Eb/N0 = 7dB thì Eb/N0 có

thể là 13dB hoặc 1dB. Theo tình trạng tải lưu lượng thì thiết kế mức Eb/N0 cao có

thể ảnh hưởng xấu đến khả thi về tài chính. Ngược lại việc thiết kế mức E b/N0

thấp sẽ làm giảm chất lượng dịch vụ.

Mô hình truyền sóng cũng được sử dụng ở các khía cạnh hoạt động khác của

hệ thống như: Tối ưu hoá chuyển giao, điều chỉnh mức công suất và định vị ăng-

31

ten. Mặc dù không có mô hình truyền sóng nào thể hiện được tất cả các nhiễu

xảy ra ở môi trường thực tế, nhưng việc sử dụng một hoặc nhiều mô hình truyền

sóng để xác định tổn hao đường truyền là điều cần thiết. Mỗi mô hình được sử

dụng đều có ưu khuyết điểm. Chỉ có sự hiểu biết tốt nhất các hạn chế của mô

hình mới có thể đạt thiết kế vô tuyến tốt.

1.3.7. Tính toán dung lượng ô

Số thuê bao và lưu lượng của mỗi thuê bao được sử dụng để xác định tổng lưu

lượng ô. Nếu biết được dung lượng và phạm vi phủ sóng của ô thì sẽ tính được

số ô cần phải xây dựng. Dung lượng ô được xác định từ những mô phỏng hoặc

các công thức phân tích. Tốc độ thông tin người sử dụng, các đặc tính lưu lượng,

yêu cầu QoS (trễ, BER/FER)... là những nhân tố quan trọng trong việc xác định

dung lượng ô.

Quỹ đường truyền được sử dụng để xác định phạm vi phủ sóng cảu ô lớn nhất.

Khi tính toán quỹ đường truyền, ngoài Eb/t còn cần chú ý tới các thông số xác định

của thiết bị như suy hao cáp tăng ích ăng-ten, tạp âm máy thu và một yếu tố có

ảnh hưởng rất lớn đến quỹ đường truyền đó là chuyển giao mềm. Hệ số chuyển

giao mềm phụ thuộc vào sự tương quan shadowing và khả năng phủ sóng. Chuyển

giao mềm cung cấp hệ số phân tập vĩ mô nhờ việc tăng phân tập. Hệ số này thực

sự phụ thuộc vào môi trường vô tuyến và số ngón của máy thu Rake.

Dung lượng tối đa của 1 ô cấu hình 3 sector được tính theo công thức sau:

)1()/(max fIEGM

ftb

cp +

≈νη

(máy di động) (1.30)

Trong đó:R

BG w

p = : Hệ số xử lý

Bw: Độ rộng băng trải phổ

R: Tốc độ bít

32

Bộ mã hoá 8Kbps → R = 9,6Kbps

Bộ mã hoá 13Kbps → R = 14,4Kbps

Eb/It: Mật độ công suất tạp âm nhiệt trên giao thoa tổng cộng (6 ÷ 7

dB)

f: Hệ số giao thoa từ các ô bên cạnh (0,56 ÷ 1,28)

νf: Hệ số tích cực thoại (0,4 ÷ 0,6)

ηc: Hệ số điều khiển công suất chính xác (0,7 ÷ 0,85)

Dung lượng của 1 sector trong ô cấu hình 3 sector:

3maxsecs

MtorM = (máy di động) (1.31)

Trong đó: s là hệ số tăng ích do chia sector (thường lấy 2,55).

Thực tế, quá trình tải của sector thường chỉ bằng 0,5 ÷ 0,7 các giá trị tính

toán. Do vậy, số thuê bao mà một sector hỗ trợ sẽ thấp hơn giá trị tính toán.

1.4. Vấn đề tối ưu mạng

Tối ưu mạng là một quá trình nhằm cải thiện chất lượng mạng tổng thể và để đảm

bảo các tài nguyên mạng được sử dụng một cách có hiệu quả. Tối ưu mạng bao gồm

quá trình phân tích mạng, cải thiện mạng về cấu hỉnh và hiệu năng. Quá trình chuyển

đổi từ quy hoạch vùng phủ và dung lượng mạng chi tiết xang khai thác và tối ưu mạng

diễn ra một cách liên tục. Các số liệu thống kê và các chỉ thị hiệu năng chính đối với

một mạng khai thác được cung cấp cho công cụ phân tích trạng thái mạng và có thể

điều chỉnh các thông số quản lí tài nguyên mạng để đạt được hiệu năng tốt hơn.

Giai đoạn đầu của quá trình tối ưu là định nghĩa các chỉ thị hiệu năng chính. Chúng

gồm các kết quả đo ở hệ thống quản lý mạng và số liệu đo ngoài hiện trường hay bất

kì thông tin khác có thể sử dụng để xác định chất lượng dịch vụ. Với sự giúp đỡ của

33

hệ thống quản lí mạng ta có thể phân tích hiệu năng quá khứ hiện tại và dự báo tương

lai của mạng.

Việc phân tích chất lượng mạng có mục đích là cung cấp cho nhà khai thác một cái

nhìn tổng quan về chất lượng và hiệu năng của mạng. Phân tích chất lượng và báo

cáo bao gồm việc lập kế hoạch về trường hợp đo tại hiện trường và đo bằng hệ thống

quản lí mạng. Sau khi đã đặc tả các chỉ tiêu chất lượng dịch vụ và đã phân tích số liệu

có thể lập báo cáo điều tra. Đối với các hệ thống thông tin di động thế hệ hai, chất

lượng dịch vụ gồm chẳng hạn: Thống kê về các cuộc gọi bị rớt, phân tích nguyên

nhân gây rớt cuộc gọi, thống kê về chuyển giao và kết quả đo các ý định gọi thành

công. Đối với hệ thống thông tin thế hệ ba, các dịch vụ đa dạng hơn nhiều, và cần

đưa ra các định nghĩa mới về chất lượng dịch vụ.

Ở hệ thống thông tin di động thế hệ ba việc tối ưu hoá tự động sẽ rất quan trọng vì

ở đây có nhiều dịch vụ hơn ở các mạng thế hệ hai và việc tối ưu hoá bằng tay sẽ rất

mất thời gian. Điều chỉnh tự động phải cung cấp câu trả lời nhanh cho các điều khiển

thay đổi lưu lượng trong mạng. Cũng cần phải lưu ý rằng tại khởi đầu của hệ thống

thông tin di động thế hệ ba sẽ chỉ có một số thông số là được điều chỉnh tự động và vì

thế vẫn cần phải duy trì quá trình tối ưu hoá của hệ thống thông tin di động thế hệ hai.

CHƯƠNG II

CÁC PHƯƠNG PHÁP DỰ ĐOÁN TRUYỀN SÓNG THÔNG DỤNG

2.1. Phương pháp OkumuraTiếp theo một loạt các đo đạc mở rộng bên trong và xung quanh thành phố

Tokyo tại các tần số lên đến 1920 MHz, Okumura và các cộng sự của mình đã

34

công bố một phương pháp dự đoán kinh nghiệm trong việc dự đoán cường độ tín

hiệu. Cốt lõi của phương pháp này là tổn hao đường truyền trong không gian tự

do giữa các điểm quan trọng đã được xác định và được cộng với giá trị Amu(f,d),

giá trị này được xác định từ hình vẽ 2.1. Amu(f,d) là tổn hao trung bình có quan

hệ với không gian tự do trong một khu vực đô thị trên một địa hình tương đối

bằng phẳng với một chiều cao hiệu dụng của ăng-ten trạm gốc hte là 200 m và

chiều cao ăng-ten di động hre là 3 m. Amu(f,d) được miêu tả như là một hàm của

tần số (100 - 3000 MHz) và khoảng cách tính từ trạm gốc (1 - 100 km). Các hệ

số hiệu chỉnh phải được đưa ra để tính cho các ăng-ten không có được độ cao

như các độ cao giới thiệu. Và công thức cơ bản của kĩ thuật này có thể được biểu

diễn như sau:

L50(dB) = LF + Amu(f,d) + Htu + Hru (2.1)

Trong đó: Htu là hệ số tăng ích chiều cao ăng-ten trạm gốc, nó được cho thấy

trong hình (2.2) như là một hàm của chiều cao hiệu dụng của ăng-ten trạm gốc và

khoảng cách; Hru là hệ số tăng ích chiều cao ăng-ten di động và nó được chỉ ra trên

hình (2.3). Hình (2.2) cho thấy rằng Hru có bậc 20 dB/decade, nghĩa là công suất tín

hiệu thu được tỉ lệ với 2teh , phù hợp với công thức truyền sóng trên đất phẳng. Từ

hình vẽ (2.3) thì rõ ràng rằng Hru có mối quan hệ với hre nếu hre > 3m; tuy nhiên, Hru

chỉ thay đổi 10 dB/decade nếu hre < 3m.

Thêm nữa, các hệ số hiệu chỉnh cũng được đưa ra, theo dạng đồ thị, để

cho phép truyền sóng trên phố giống như truyền sóng trong các khu vực

ngoại ô, khu vực mở (nông thôn) và trên địa hình không đồng đều. Các hệ số

này đòi hỏi phải được cộng thêm vào hay trừ đi một cách thích hợp. Ngoài

ra, địa hình không đồng đều lại được chia nhỏ ra thành địa hình đồi dốc, các

ngọn núi riêng lẻ, địa hình dốc nói chung và địa hình hỗn hợp đất với biển .

35

Hình 2.1: Cơ sở tổn hao đường truyền trung bình quan hệ với không gian tự do trong khu vực đô thị trên địa hình tương đối bằng phẳng (theo Okumura)

Các tham số được liên quan đến địa hình cần phải được đánh giá để xác định

các hệ số hiệu chỉnh biến đổi như sau:

36

Hình 2.2: Hệ số tăng ích chiều cao ăng-ten BS trong các khu vực đô thị như là một hàm của khoảng cách (chiều cao tham khảo là 200m)

Hình 2.3: Hệ số tăng ích chiều cao ăng-ten di động trong các khu vực đô thị như là một hàm của tần số và mức độ đô thị hoá (chiều cao tham

khảo là 3m)

37

Hình 2.4: Phương pháp tính toán chiều cao ăng-ten trạm gốc hiệu dụng

Chiều cao ăng-ten trạm gốc hiệu dụng (hte): đây là chiều cao của ăng-ten BS

trên mức đất trung bình được tính trên khoảng cách từ 3-15km (hoặc nhỏ hơn

nếu khoảng cách nhỏ hơn 15 km) theo hướng tới máy thu.

Chiều cao nhấp nhô của địa hình (∆h): Đây là tham số nói lên sự không đồng

đều của địa hình được định nghĩa là chiều cao không đồng đều được đưa ra trên

khoảng cách 10 km từ máy thu theo hướng tới máy phát.

Chiều cao đỉnh núi: Nếu đường truyền sóng bao gồm có một quả núi chắn thì

chiều cao đo được của nó có quan hệ với mức đất trung bình giữa nó với trạm gốc.

Độ dốc trung bình: Nếu mặt đất là dốc nói chung thì góc θ (có thể âm hoặc

dương) được đo trên khoảng cách từ 5-10 km.

Tham số đường truyền biển - đất hỗn hợp: đây là phần trăm của tổng chiều

dài đường truyền được bao phủ bởi nước.

Mô hình Okumura là một mô hình được sử dụng rộng rãi. Nó được sử dụng

như là một tiêu chuẩn so sánh cho các mô hình khác, từ lúc đó thì nó được dử

dụng cho sự biến đổi mạnh của của đường truyền vô tuyến không chỉ cho khu

vực đô thị mà nó còn cho các kiểu địa hình khác nhau nữa. Mô hình này cũng

được sử dụng cho máy tính một cách dễ dàng.

Có hai mô hình hoạt động: Trong điạ hình tương đối bằng phẳng thì các tham

số đầu vào yêu cầu đó là: Tần số, các độ cao ăng-ten, khoảng cách, kiểu môi

trường, kích thước thành phố, hướng phố; với địa hình không đồng đều, một

38

trong các tham số liên quan đến địa hình, như được định nghĩa ở trên cũng có thể

được yêu cầu. Nếu một cơ sở dữ liệu về địa hình cũng đã được lưu trong máy

tính thì sau đó máy tính có thể tính được kiểu không đồng đều của địa hình từ

mặt cắt đường truyền và do đó đưa ra được các tham số địa hình phù hợp.

2.1.1. Công thức Hata

Trong một nỗ lực làm cho phương pháp Okumura trở nên sử dụng dễ dàng

hơn, Hata đã thiết lập được mối quan hệ toán học kinh nghiệm để mô tả các thông

tin trên đồ thị của Okumura. Công thức Hata có các dữ liệu đầu vào bị giới hạn

trong các khoảng chính xác của tham số đầu vào và chỉ được áp dụng trên địa hình

tương đối bằng phẳng. Biểu diễn toán học và các ứng dụng của Hata như sau:

Các khu vực đô thị:

L(dB) = 69,55 + 26,16logfc - 13,82loght - a(ht) + (44,9 - 6,55loght)logd

(2.2)

Trong đó: 150 ≤ fc ≤ 1500 (fc tính theo MHz)

30 ≤ ht ≤ 200 (ht tính theo m)

1 ≤d ≤ 20 (d tính theo km)

a(hr) là một hệ số hiệu chỉnh chiều cao ăng-ten máy di động và được tính như sau:

Với khu vực thành phố nhỏ và trung bình:

a(hr) = (1,1logfc - 0,7)hr - (1,56logfc - 0,8) (2.3)

Trong đó: 1 ≤ hr ≤ 10 m

Với thành phố lớn:

( )( )

≥−

≤−=

MHzf,rh,,

MHzf,rh,,)ra(h

40097427511log23

200112541log298 (2.4)

Các khu vực ngoại ô:

39

L(dB) = L(urban) - 4,78(logfc)2 + 18,33 logfc - 40,94 (2.5)

Trong các khu vực tương đối mở, tổn hao vào khoảng 5 dB, lớn hơn khi tính

bằng công thức (2.5).

Mặc dù các công thức của Hata không có các hệ đường truyền cụ thể như

trong mô hình Okumura nhưng những biểu diễn trên làm tăng thêm ý nghĩa thực

tiễn của phương pháp Hata. Khi so sánh các dự đoán của các công thức trên với

những dự đoán thu được từ các đường cong của Okumura cho thấy sự khác nhau

là không đáng kể và ít khi sự sai khác vượt quá 1 dB. Các biểu diễn của Hata

cũng rất dễ dàng để đưa vào máy tính.

2.1.2. Mô hình COST 231-Hata

Mô hình Hata theo như mô tả ban đầu của nó sẽ bị hạn chế trong dải tần 150-

1500MHz và do đó không áp dụng được cho DCS 1800 và các hệ thống tương tự

khác hoạt động trong dải tần 1800-1900 MHz. Tuy nhiên, trong chương trình

COST 231 đã tiến hành phân tích một cách cẩn thận chi tiết các đường cong của

Okumura trong dải tần lớn hơn, và đã đưa ra được một mô hình mở rộng. Mô

hình đó được biểu diễn như sau:

L(dB) = 46,3 + 33,9logfc – 13,82loght – a(hr) +(44,9 – 6,55loght)logd + C

(2.6)

Trong mô hình này, a(hr) được định nghĩa như trên; còn C là một hệ số, C = 0 cho

các thành phố có kích thước trung bình và các trung tâm ngoại ô với mật độ cây trung

bình, C = 3 dB cho các trung tâm thành phố lớn.

Công thức (2.6) có giá trị khi các tham số ht, hr, và d có khoảng giá trị giống

như trong công thức Hata nguyên bản nhưng có dải tần lớn hơn và mở rộng

trong khoảng 1500 ≤ fc (MHz) ≤ 2000. Mô hình này chỉ có giá trị trong các

Macrocell với chiều cao ăng-ten BS đặt trên các mái nhà của các toà nhà sát

40

nhau, nếu chiều cao ăng-ten BS đặt thấp hơn các toàn nhà thì kể cả mô hình

nguyên thuỷ của nó cũng không áp dụng được trong các microcell.

2.2. Phương pháp Ibrahim và Parson.

Các mô hình truyền sóng được tạo ra bằng cách phân tích một tập hợp các

dữ liệu được đo chủ yếu ở London với chiều cao ăng-ten BS là 46 m so với

mặt đất. Tần số được sử dụng là 168, 445, 896 MHz và tín hiệu từ máy phát

trạm gốc được thu trên một phương tiện di chuyển trên các con phố trong

khu vực thành phố. Các mẫu được đưa ra cách nhau 2,8 cm trên đường di

chuyển bằng cách sử dụng vị trí các thông tin thu được từ một ‘fifth-whell’

được kéo bởi phương tiện di chuyển. Các mẫu này sau đó được số hoá và

được ghi lại trên máy ghi băng từ.

Các dữ liệu đo được được tập hợp lại trong một đợt, mỗi đợt tiến hành mô tả

một hình vuông có kích thước 500m x 500m như đã được phác hoạ trên bản đồ

OS (Ordnance Survey). Kích thước của hình vuông này được xem xét một cách

mềm mại tức là nó không quá lớn so với sự biến đổi của môi trường hay không

quá nhỏ mà dữ liệu về truyền sóng không đáp ứng được yêu cầu. Lộ trình của

máy di động trong mỗi hình vuông kiểm tra được lập kế hoạch một cách cẩn thận

sao cho độ rộng và chiều dài con đường và hướng di chuyển là ngẫu nhiên, và

chiều dài trung bình của tuyến trong mỗi hình vuông là 0,8 km. Có tất cả 64 hình

vuông được lựa chọn trong 3 cung tròn xung quanh BS tại khoảng cách khoảng

2,5 đến 9 km. Tổng chiều dài của tuyến đo vào khoảng 115 km. Một tuyến tương

tự như vậy được sử dụng để tiến hành đo đạc tại các tần số 168 và 455 MHz. Tại

tần số 900 MHz các tuyến kiểm tra bị giới hạn trong khoảng cách 5 km do tại tần

số cao thì tổn hao đường tuyền lớn và công suất phát bị hạn chế.

Giá trị tổn hao đường trung bình giữa hai ăng-ten đẳng hướng được khai triển

từ tập hợp các dữ liệu đo được sau mỗi lần kiểm tra và được so sánh với các hệ số

41

biến đổi tác động đến tổn hao đường truyền như là khoảng cách truyền sóng, môi

trường đô thị, tần số truyền và các tham số và địa hình.

Nói chung, cường độ tín hiệu trung bình thu được sẽ suy giảm khi máy di

động di chuyển ra xa trạm gốc. Tổn hao đường truyền trung bình trong mỗi hình

vuông kiểm tra được vẽ lên như là một hàm của khoảng cách và các phân tích

ngược lại đã được tiến hành để đưa ra các đường thẳng khớp nhất đi qua các

điểm. Điều này sau đó được lặp lại một cách thường xuyên và làm khớp theo luật

mũ bốn theo khoảng cách. Các kết quả đã được tập hợp lại trong bảng 2.1. Sự

giới hạn về dữ liệu đo được tại tần số 900 MHz không cho phép so sánh với các

dữ liệu tại tần số 168 và 455 MHz.

Tần số Tổn hao đường truyền trung bình Sai số dự đoán RMS (dB)168 MHz Khớp nhất: 1,6 + 36,2 logd 5,30

Luật mũ 4: -12,5 + 40 logd 5,50455 MHz Khớp nhất: -15,0 + 43,1 log d 6,18

Luật mũ 4: -4,0 + 40 logd 6,25

Bảng 2.1: Các công thức hồi quy phụ thuộc khoảng cách tại tần số 168 và 455 MHz.

Điều này hiển nhiên rằng tốc độ suy giảm tín hiệu thu được theo khoảng cách

tăng lên khi tần số truyền tăng lên. Nó cũng chỉ ra rằng, luật mũ 4 phụ thuộc vào

khoảng cách là một đánh giá tốt tại hai tần số nêu trên trong khoảng cách truyền

sóng lên tới 10 km tính từ máy phát.

Tại tất cả các khoảng cách và các kiểu môi trường thì tổn hao đường truyền

tăng lên khi tần số truyền tăng lên. Khi kiểm tra các hình vuông tại khoảng cách

2 km thì tổn hao đường truyền trung bình tại tần số 900 MHz tìm được là vượt

quá tổn hao tại tần số 455 MHz khoảng 9 dB và tại tần số 168 MHz là 15 dB.

Còn tại khoảng cách là 5 km thì tổn hao vượt quá tại tần số 900 MHz so với tại

các tần số 168 và 455 MHz được cho thấy là tăng một cách chậm hơn. Điều này

42

cho thấy rằng khi tần số truyền tăng lên thì tổn hao tín hiệu tăng nhanh hơn sự

tăng của khoảng cách.

Tổn hao tại ba tần số này có sự tương quan lớn. Điều này được cho thấy rất rõ

trên hình (2.5). Hình vẽ cho thấy tổn hao đường truyền trung bình gây ra tại mỗi

hình vuông kiểm tra tại khoảng cách 2 km. Khi đo tại tần số 168 và 455 MHz thì

hệ số hiệu chỉnh là 0,93 còn các phép đo giữa các tần số 455 và 900 MHz thì hệ

số đó là 0,97. Khi so sánh giá trị trung bình cục bộ của tín hiệu thu được tại ba

tần số dọc theo tuyến kiểm tra trong mỗi hình vuông một lần nữa lại cho thấy sự

tương quan mạnh mẽ tại ba tần số này. Như vậy theo lý thuyết có thể kết luận

rằng cơ chế truyền sóng tại ba tần số này có bản chất là giống nhau.

Hình 2.5: Tổn hao đường truyền trung bình trong các hình vuông kiển tra tại London tại khoảng cách 2 km.

Ibrahim và Parsons cũng đưa ra hai tham số: Đó là hệ số sử dụng đất L và hệ

số biểu thị mức độ đô thị hoá U. L được định nghĩa đó là tỉ lệ của hình vuông

kiểm tra 500m x 500m mà nó được bao phủ bởi các toà nhà, không tính đến chiều

43

cao của chúng. Giữa L và tổn hao có mối tương quan lớn. Còn U được định nghĩa

đó là tỉ lệ vị trí các toà nhà trong khu vực phủ đo, các toà nhà được tính là có từ 4

tầng trở lên. Quyết định để sử dụng 4 tầng như là một tham chiếu được đưa ra sau

khi tiến hành vẽ sự phân bố tần số tích luỹ của các vùng toà nhà dựa vào số tầng

với một số bản đồ vuông OS lớn. Sự so sánh tổn hao truyền sóng từ một trạm gốc

tới một máy di động đang di chuyển trong vùng vuông đã cho thấy rằng tỉ lệ các

toà nhà có 4 tầng hoặc lớn hơn là tương quan lớn nhất với các dữ liệu truyền sóng

đã đo được. Hệ số U có thể thay đổi trong khoảng từ 0 đến 100 %. Giá trị tiến tới

0 biểu thị rằng đó là khu vực ngoại ô còn ngược lại khi tiến tới 100 % thì nó biểu

thị khu vực đô thị có mức độ đô thị hoá rất cao. Hệ số L và U có thể được xác

định từ các dữ liệu một cách dễ dàng, mặc dù thông tin cần thiết để tính U tại thời

điểm khi đo chỉ có thể xác định cho vùng trung tâm thành phố. Trong khi phát

triển các mô hình truyền sóng điều này đã được đưa ra để tính và U được sử dụng

như một tham số cộng chỉ được sử dụng trong các vùng có mức độ đô thị hoá cao.

Có hai phương pháp để mô hình hoá đã được đưa ra: Thứ nhất là để thu được

một mô tả kinh nghiệm về tổn hao đường truyền phải dựa trên các phép phân tích

hồi quy bội số; thứ hai là để bắt đầu tiến hành từ công thức lí thuyết truyền sóng

trên đất phẳng và để xác định tương quan giữa tổn hao vượt quá với các tham số

tác động tới sự tổn hao đó. Sự khác nhau chính giữa phương pháp kinh nghiệm

thứ nhất và phương pháp bán kinh nghiệm thứ hai đó là trong phương pháp thứ

nhất, một luật mũ bốn phụ thuộc vào khoảng cách được giả sử còn trong phương

pháp thứ hai là một sự giả sử hợp lí, đã được cho thấy ở trên. Công thức kinh

nghiệm để tính toán tổn hao là :

L(dB) = -20log(0,7hb) - 8 loghm + f/40 + 26log(f/40) - 86log[(f+100)/156]

+ [40 + 14,15 log[(f+100)/156]]logd + 0,265L - 0,37H + K

(2.7)

44

Trong đó: K = 0,0087U – 5,5 cho các vùng đô thị hoá cao, ngược lại thì K = 0

Trong công thức này, các kí hiệu có ý nghĩa như ý nghĩa thường dùng của

chúng; H cho thấy sự khác nhau về độ cao mặt đất trung bình giữa các hình vuông

bản đồ OS gồm có các máy phát và máy thu; giá trị của hr ≤ 3m và 0 ≤ d ≤ 10 km.

Mô hình bán kinh nghiệm được dựa trên công thức truyền sóng trên đất phẳng.

Nó cho thấy rằng tổn hao tổn hao phải được biểu diễn là tổng của tổn hao trên đất

phẳng theo lý thuyết và một tổn hao xáo trộn β. Giá trị của β tại các tần số 168,

455 và 900 MHz đã được tính toán cho mỗi hình vuông kiểm tra. Sau đó họ gắn

với các hệ số môi trường trong khu vực đô thị và họ đã tìm ra một phương trình

khớp nhất cho β. Vì vậy mô hình tiếp theo đã được đề xuất như sau:

L(dB) = 40logd - 20log(hthr) + β (2.8)

Trong đó: Β = 20 + 40f

+ 0,18L - 0,34H + K (2.9)

Và K = 0,094U – 5,9 (2.10)

Lưu ý rằng, ở đây K chỉ được áp dụng cho các khu vực có mức đô thị hoá

cao, còn nếu không thì K = 0.

Việc áp dụng của mô hình đòi hỏi phải đánh giá các giá trị của L, U, H

của các hình vuông kiểm tra một cách kĩ lưỡng. Tham số H có thể xác định

dễ dàng từ bản đồ, đôi khi L, U có thể xác định được từ các thông tin đã

được lưu trữ nhưng chúng có thể phải được ước lượng hoặc là do thông tin

không đủ hoặc là do thời gian lưu lại quá đơn giản. Như hình vẽ minh hoạ,

giá trị của β được xác định từ công thức (2.9) trong thành phố có địa hình

tương đối bằng phẳng, tại tần số 900 MHz là:

β (dB) = 42,5 + 0,18 L (2.11)

45

Và giá trị của L nằm trong khoảng từ 0 đến 80 %, do đó giá trị của β nằm

trong khoảng 42,5 đến 57 dB. Điều này phù hợp với một số các kết quả đo được

độc lập như trong hình vẽ 2.6 khi β = 49 dB.

Hình 2.6: Các kết quả thí nghiệm trong thành phố tại tần số 900 MHz được so sánh với một đường thẳng hồi quy khớp nhất và một đường theo luật mũ 4

nghịch đảo

Các mô hình được so sánh với dữ liệu độc lập được Allebrook tập hợp lại tại

các tần số 85, 167, 441 MHz. Tính chính xác của hai mô hình tại các tần số 85,

167 MHz là rất tốt, và nó chỉ có lỗi một chút tại tần số 441 MHz. Khi tiến hành

so sánh chất lượng của hai mô hình thì mô hình kinh nghiệm có vẻ như phù hợp

hơn tại các tần số 85 và 167 MHz còn mô hình bán kinh nghiệm thì tốt hơn tại

tần số 441 MHz. Sai số lỗi dự đoán trong hai phương pháp trên được thể hiện

trong bảng 2.2:

46

Tần số (MHz)168 455 900

Mô hình kinh nghiệm 2,1 3,2 4,19Mô hình bán kinh nghiệm 2,0 3,3 5,8

Bảng 2.2: Sai số dự đoán RMS của hai mô hình.

2.3. Phương pháp Walfisch-Bertoni

Walfisch-Bertoni đã phát triển mô hình mang tính chất lí thuyết dựa vào hình

vẽ miêu tả đường truyền như hình vẽ (2.7) như sau:

Hình 2.7: Mô tả hình học của mô hình nhiễu xạ từ đỉnh các toà nhà

Đường truyền số 1 được truyền tới máy di động như mô tả trên hình vẽ là

nằm trên đỉnh của các toà nhà trong khu vực máy di động di chuyển, trong

đường truyền này thì các toà nhà ở gần máy di động có tác động quan trọng nhất

tới máy di động. Ngoài ra còn tồn tại các cơ chế truyền sóng khác và nói chung

tổng cường độ trường thu được tại máy thu có thể có các thành phần do phản xạ

đa đường và nhiễu xạ (như là đường số 4) và các đường xuyên qua các toà nhà

(như đường số 3).

Hơn nữa khoảng trống giữa các toà nhà và vị trí của nó trên đường truyền

mang tính chất ngẫu nhiên và nói chung là nó không thể được bố trí thẳng hàng

với các con phố hay đường truyền từ máy phát trạm gốc BS tới máy thu di động

47

MS, do đó việc truyền sóng giữa các toà nhà không thể tạo ra được các phân bố

chuẩn ở tín hiệu thu được. Mô hình này tiến hành mô tả một loạt các toà nhà trên

đường truyền để đưa ra giá trị của một góc α xác định miền Fresnel thứ nhất. Để

thu được một lời giải về các vấn đề nhiễu xạ ở trên các toà nhà nằm dọc trên

đường truyền và các ảnh hưởng tác động của nó tới đường truyền, đặc biệt là khi

α có gái trị nhỏ thì thì cần phải áp dụng các phép tính gần đúng.

Để xác định trường nhiễu xạ xuống các con phố thì cần phải xác định trường

trực tiếp tới trên các toà nhà ở phía trước máy di động. Walfisch-Bertoni đã cho

thấy rằng khi giá trị của n lớn thì điều này có thể thu được như sau:90

03010

,

,

β/λα,Q(α(

≈ (2.12)

Theo mô hình mô tả của Walfisch-Bertoni thì trên đường truyền có tất cả ba

tham số: Tổn hao đường truyền giữa hai ăng-ten trong không gian tự do; và tổn

hao do nhiễu xạ, tán xạ từ các vật trên phố tới máy di động. Giả sử rằng các ăng-

ten là đẳng hướng thì tổn hao đường truyền trong không gian tự do giữa các ăng-

ten đẳng hướng được tính theo công thức:

LB(dB) = 32,4 + 20logfMHz + 20logdkm (2.13)

Tuỳ theo từng mức địa hình thì α được tính theo công thức:

er

d

d

hbhα

2−

−= (2.14)

Trong đó: re là bán kính hiệu dụng của trái đất (≈ 8,5 x 103 km)

Ngoài ra, tổn hao do nhiễu xạ tại đỉnh cuối cùng đi xuống phố được xác định

bằng cách giả sử rằng dãy các toà nhà đóng vai trò như một gờ hấp thụ được đặt

tại trung tâm của dãy nhà đó. Trong trường hợp này thì biên độ của cường độ

trường tại máy di động được xác định bằng cách nhân cường độ trường được xác

định tại đỉnh mái nhà với một hệ số có giá trị như sau:

48

( )

−+

+−−

−

−+

αλπaγ

/

mhhb

π

λ

2

1141

22

22 (2.15)

Trong đó: h là độ cao của các toà nhà và hm là độ cao của ăng-ten máy thu di

động MS; cả hai góc α và γ được đo bằng đơn vị radian với

[ ])/bmh(hγ −−= 21tan (2.16)

Công thức (2.15) nhìn có vẻ khá phức tạp, tuy nhiên nó có thể được đơn giản hoá

hơn bằng cách bỏ qua hệ số αλ2π

1−+ khi so sánh với aγ

1− và giả sử rằng α <<

γ.

Trong thực tế, độ sâu khe pha-đinh trong tín hiệu mà MS thu được cho thấy rằng

các thành phần trường thu được do phản xạ từ các toà nhà đi tới máy thu di động có

biên độ giống với cường độ trường thu được do nhiễu xạ từ đỉnh các toà nhà. Hai

thành phần này có pha ngẫu nhiên, tuy nhiên giá trị RMS của tổng cường độ trường

là tổng của các giá trị RMS của các thành phần riêng lẻ. Trong trường hợp này thì

nó là 2 x giá trị RMS của trường nhiễu xạ. Bằng cách sử dụng các công thức

(2.13) đến (2.16) và tính cả hệ số ta thu được một sự biểu diễn về sự suy giảm

cường độ trường giống như sự suy giảm cường độ trường giữa hai ăng-ten riêng lẻ

đặt trong không gian tự do cách nhau một khoảng cách d. Đây là “tổn hao vượt

quá” trên tổn hao đường truyền trong không gian tự do và được tính bởi công thức:

−−−−−+++=

h)b(h

dh)b(hdcfA,(dB)exL

17

21log18log18log18log157

(2.17)

Thành phần cuối cùng trong công thức trên dùng để tính cho mặt đất cong và

nói chung là thường có thể bỏ qua tham số này. Hình dạng của các toà nhà được

gắn liền với số hạng A như sau:

49

( ) ( )[ ]{ }/bmhhbmhhb

A −−+−

−+

= 21tanlog20log92

2

2log5 (2.18)

Tổng tổn hao đường truyền được được xác định bằng cách tiến hành cộng Lex

với tổn hao trong không gian tự do LB trong điều kiện các ăng-ten là đẳng hướng.

Walfisch và Bertoni đã tiến hành kiểm tra lại phương pháp của mình rất nhiều lần

bằng các phép đo đạc mở rộng trong thực tế và các kết quả thực tế cũng đã cho

thấy hiệu quả trong phương pháp của các ông là khá tốt.

Mô hình COST - Walfisch - Ikegami

Trong dự án COST 231 về vấn đề nghiên cứu các mô hình truyền sóng, thì nhóm

nghiên cứu đã tiến hành kết hợp các phương pháp Walfisch-Bertoni và mô hình Ikegami

để tạo ra một phương pháp xác định tổn hao đường truyền gọi là mô hình COST -

Walfisch – Ikegami. Mô hình tiến hành dự đoán truyền sóng thông qua 4 tham số cơ bản:

Chiều cao của các toà nhà

Độ rộng các con đường

Khoảng cách giữa các toà nhà

Hướng của các con đường quan hệ với tia LOS như thế nào.

Mô hình này phân biệt giữa tia LOS và không phải tia LOS như sau:

Với đường truyền LOS thì công thức tính tổn hao như sau:

Lb(dB) = 42,6 + 26logd + 20logfc (d ≥ 20m) (2.19)

Công thức này được phát triển từ các phép đo của Stockholm, Sweden. Nó có dạng giống

như công thức tính tổn hao truyền sóng trong không gian tự do và các hằng số được lựa chọn

như Lb bằng tổn hao đường truyền trong không gian tự do tại khoảng cách d = 20m.

Trong trường hợp không phải LOS thì tổn hao đường truyền gồm có tổn hao

đường truyền trong không gian tự do LB tính theo công thức:

LB(dB) = 32,44 + 20logfMHz + 20logdkm (2.20)

50

Thành phần thứ hai là nhiễu xạ đa màn che Lmsd (Multiple Screen Diffraction)

và tổn hao do nhiễu xạ từ đỉnh các mái nhà xuống phố và tổn hao do tán xạ L rts

(Rooftop To Street).

Hình 2.8: Hình vẽ mô tả định nghĩa về góc hướng phố φ

Như vậy, theo như phân tích ở trên thì tổn hao trong trường hợp không có

LOS được tính như sau:

<+

>+++=

0

0

msdLrtsLBLmsdLrtsLmsdLrtsLBL

bL (2.21)

Việc xác định Lrts được dựa vào mô hình Ikegami nhưng với một hàm định

nghĩa về hướng phố khác. Mô hình biểu diễn hình học này được cho thấy trên

hình vẽ (2.8). Và giá trị của Lrts được xác định theo công thức sau:

Lrts = -16,9 - 10logw + 10logfc + 20log(h - hm) + Lori (2.22)

51

≤≤−−

<≤−+

<≤+−

=09005535114004

05503535075052

03500354010

ϕϕ

ϕϕ

ϕϕ

)(,,

)(,,

,

oriL (2.23)

Lưu ý rằng Lori là một hệ số được xác định chỉ từ một vài phép đo rất nhỏ.

Tổn hao do nhiễu xạ đa màn che được Walfisch và Bertoni xác định trong

trường hợp khi ăng-ten trạm gốc BS được đặt trên đỉnh các mái nhà, nghĩa là hb > h.

Điều này cũng được COST 231 xem xét đến và mở rộng khi ăng-ten trạm gốc BS

đặt dưới độ cao của các mài nhà bằng cách sử dụng một số hàm kinh nghiệm dựa

trên các phép đo. Các công thức có liên quan là:

Lmsd = Lbsh + ka + kd logd + kf logfc - 9logb (2.24)

Trong đó:

( )[ ]

≤

>−+−=

hbh

hbhhbh

bshL0

1log18 (2.25)

( )

≤−

−

>=

hbhh

hbh

hbh

dk1518

18

(2.27)

52

fk = 4 +

−1

92570 cf, Cho các khu vực thành phố có kích thước trung

bình và các khu vực ngoại ô có mật độ cây trung

bình.

fk = 4 +

−1

92551 cf, Cho các trung tâm thành phố lớn. (2.28)

Số hạng ak cho thấy tổn hao đường truyền tăng lên khi ăng-ten trạm gốc BS đặt

thấp hơn chiều cao của các toà nhà. Số hạng dk và fk phụ thuộc vào tổn hao do

nhiễu xạ trên đường truyền và phụ thuộc vào tần số, một cách tương ứng. Nếu các

dữ liệu không thể xác định hay không đủ thì giá trị mặc định sau được khuyến nghị:

h = 3m x (số tầng) + (chiều cao của tầng)

Chiều cao của tầng = 3m cho các tầng có mái dốc

Chiều cao của tầng = 0m cho mái bằng.

b = 20 đến 50 m

w = b/2

φ = 900

Mô hình này bị giới hạn bởi các khoảng của các tham số như sau:

fc : 800 ÷ 2000 MHz

hb: 4 ÷ 50 m

hm: 1 ÷ 3 m

d: 0,02 ÷ 5 km

Mô hình này đưa ra dự đoán khá khớp với các phép đo khi các ăng-ten trạm

gốc nằm ở trên đỉnh các mái nhà. Lỗi trung bình của dự đoán khoảng 3 dB với độ

lệch chuẩn nằm trong khoảng từ 4 - 8 dB. Tuy nhiên, chất lượng của việc mô hình

bị suy giảm khi hb tiến dần tới hr và trở nên khá tồi khi hb << hr. Do đó, mô hình

này theo như phân tích theo lí thuyết thì nó không phù hợp và nếu dự đoán thì sẽ

53

gây ra lỗi lớn ở trong các Microcell nơi mà chiều cao các ăng-ten trạm gốc BS

được đặt dưới độ cao của các toà nhà.

2.4. Mô hình Lee

Một mô hình truyền sóng đã được Lee đề xuất và được áp dụng trong dải tần 900

MHz, và nó hoạt động theo hai mô hình đó là mô hình Vùng - Vùng và mô hình

Điểm - Điểm. Trong trường hợp thứ nhất thì việc dự đoán dựa trên ba tham số sau:

Tổn hao đường truyền trung bình tại khoảng cách 1 km, L0

Độ dốc của đường cong tổn hao, γ dB/decade

Hệ số hiệu chỉnh F0

Theo 3 tham số được nêu ở trên thì tổn hao trung bình tại khoảng cách d là:

L (dB) = L0 + γlogd + F0 (2.29)

Giá trị của L0 và γ thu được từ các cuộc thí nghiệm như đã liệt kê trong bảng

(2.3). Khi tiến hành dự đoán thì việc lựa chọn giá trị từ bảng là một điều rất cần

thiết. Khi tiến hành lựa chọn thì cần phải so sánh môi trường thực tế mà mình áp

dụng với các môi trường tham chiếu trong bảng. Cần phải quan tâm để ý rằng

với các thành phố ngoài Tokyo thì giá trị của γ cho các vùng đô thị và ngoại ô

thường tiến gần tới 40 dB/decade.

Các kết quả kinh nghiệm cho thấy trong bảng (2.3) xác định được bằng thí

nghiệm với các tham số liên quan như sau:

Tần số sóng mang = 900 MHz

Chiều cao ăng-ten trạm gốc = 30,48 m

Công suất máy phát = 10 W

Tăng ích ăng-ten trạm gốc với ăng-ten lưỡng cực nửa sóng (λ/2) = 6 dB

Chiều cao ăng-ten máy di động MS = 3m

Môi trường L0(dB) γKhông gian tự do 91,3 20

54

Không gian mở (nông thôn) 91,3 43,5Ngoại ô 104,0 38,5Khu vực đô thịPhiladelphia 112,8 36,8Newark 106,3 43,1Tokyo 128,0 30

Bảng 2.3: Các Tham số truyền sóng trong các môi trường theo mô hình Lee.

Hệ số hiệu chỉnh F0 được sử dụng với mục đích để hiệu chỉnh khi sử dụng các

tham số trên với giá trị khác và nó được miêu tả như sau:

F0 = F1.F2.F3.F4 (2.30)

Giá trị của Fi (i = 1 đến 4) được xác định như sau:

F1 =[(Chiều cao ăng-ten trạm gốc thực tế)/(Chiều cao ăng-ten trạm gốc tham

chiếu)]2

= [(Chiều cao ăng-ten trạm gốc thực tế (m))/(30,5)]2

F2 = (Công suất phát thức tế của máy phát)/10

F3 = (Tăng ích ăng-ten trạm gốc thực tế)/4 (2.31)

Giá trị tăng ích ăng-ten của F3 được đo với ăng-ten lưỡng cực nửa sóng (λ/2) và

tăng ích ăng-ten tham chiếu là 6 dB (=4). F4 là một hệ số để bù cho sự thay đổi độ

cao của ăng-ten máy di động. Nó có thể được xác định giống như F1 tại độ cao trên

10 m. Nhưng tại các chiều cao dưới 10 m thì thường sử dụng tỷ lệ các (chiều cao)1

hơn là sử dụng (chiều cao)2. Lee cũng đã đề xuất rằng việc thay đổi tần số truyền có

thể được hiệu chỉnh bằng cách sử dụng hệ số có dạng (f/f0)n, nhưng ông lại không

đưa ra cách xác định giá trị của n. Tuy nhiên, sau khi tiến hành nghiên cứu thì

Okumura và Young đã đưa ra giá trị của n nằm giữa 2 và 3.

Trong mô hình Điểm - Điểm cải tiến, Lee đã đưa ra một số cách tính toán về điạ

hình. Trên các đường truyền không có vật chắn thì điều quan trọng là cần phải xác

55

định một giá trị gần đúng cho chiều cao hiệu dụng của ăng-ten trạm gốc BS. Trong

các khu vực đồi núi thì có thể tồn tại hai điểm phản xạ như mô tả trong hình vẽ

(2.9), các đường phản xạ này có thể thấy đều đi tới MS. Chiều cao hiệu dụng h e có

thể được xác định như hình vẽ. Và sau đó, chiều cao hiệu dụng này được sử dụng

để hiệu chỉnh cho phương trình (2.29) thông qua phương trình sau:

)/e(hL'L 30log20+= (2.32)

Khi máy di động di chuyển thì độ cao hiệu dụng của ăng-ten trạm gốc sẽ thay đổi

và hình 2.10 minh hoạ một vài các tình huống đó.

Hình 2.9: Cách xác định chiều cao hiệu dụng của ăng-ten trạm gốc BS trong hai kiểu địa hình đồi núi

56

Hình 2.10: Ảnh hưởng của địa hình đến chiều cao hiệu dụng của ăng-ten tại các vị trí khác nhau; (a): Trong trường hợp địa hình dốc; (b): Dự đoán điểm tới điểm

Phương trình (2.32) cho các ước lượng riêng biệt và đưa ra các trường hợp như

hình (a). Hình (b) cho thấy sự khác nhau giữa mô hình điểm - điểm và mô hình dự

đoán cho một khu vực bằng phẳng với độ dốc γ = 38,6 dB/decade. Theo hình (b) thì:

57

Từ vị trí C đến vị trí G thì giá trị của he là lớn hơn chiều cao vật lý đặt trên mặt đất,

còn từ vị trí H đến vị trí I thì giá trị của he là nhỏ hơn chiều cao thực tế. Với đường

truyền bị chắn, thì một tổn hao về địa hình có thể được cộng thêm vào. Sự kết hợp

chặt chẽ các thông tin về địa hình sẽ tạo nên sự khác nhau khá lớn khi dự đoán các vị

trí và nói chung độ chính xác sẽ tăng lên. Độ lệch chuẩn về lỗi đối với các mô hình

vùng nói chung đòi hỏi là 8 dB nhưng đối với các mô hình Điểm - Điểm thì yêu cầu

này là nhỏ hơn 3 dB.

2.5. Các mô hình khác

Ngoài một số phương pháp cơ bản hay được sử dụng ở trên để dự đoán tổn

hao đường truyền, có một số các phương pháp khác có thể được sử dụng một

cách linh hoạt dễ dàng cho các khu vực đô thị nhà cửa san sát. Ví dụ như

McGeehan và Griffiths thì đã bắt đầu từ phương trình truyền sóng trên đất phẳng

và đưa ra một hệ số và môi trường truyền sóng mang tính chất kinh nghiệm như

sau: A(dB) = A* - 30 logfMHz

Trong đó: A* là một tham số về môi trường được đưa ra trong các tình huống như sau:

45 ± 5 dB cho các khu vực phố cổ với các con đường đôi, hẹp

55 ± 5 dB cho các khu vực thành phố hiện đại với các con

đường thẳng, rộng, kéo dài

65 ± 5 dB cho các khu vực ngoại ô và một vài vùng nông thôn điển hình

75 ± 5 dB cho các vùng mở mà đường truyền sóng không bị chắn

Công suất thu được sau đó được tính theo công thức:

PR(dB) = {PT + 10logGb + 10log Gm + 20log(hmhb) - 30logf - 120} + A* -

40logd

(2.33)

Trong phương trình này, PT được tính theo đơn vị dBm, các chiều cao hm và

hb được tính theo m và khoảng cách d tính theo km.

58

Trong một số hệ thống thông tin vô tuyến thì số hạng trong ngoặc xoắn {}

được coi là một hằng số và do đó:

PR(dBm) = K + A* - 40logd (2.34)

Theo một số các phép đo ở London tại tần số 900 MHz Atefi và Parsons đã

đưa ra một số công thức có dạng:

L50(dB) = A + Blogdkm (2.35)

Chiều cao ăng-ten trạm gốc thay đổi trong khoảng độ cao từ 22 đến 88 m trên

mực nước biển. Hệ số B tiến tới 40 (theo luật mũ 4) và hệ số A miêu tả tổn hao

đường truyền trên đất phẳng cộng với hệ số cản trở β, với β nằm trong khoảng từ

38 - 44 dB. Các biến A(dB) và B(dB/decade) như là một hàm của chiều cao ăng-

ten trạm gốc được nghiên cứu và cho thấy như sau:

A = 140,1 - 12,2loghb

B = 49,3 - 6,8loghb (2.36)

Trên khoảng các chiều cao được sử dụng để tiến hành thì nghiệm thì giá trị

của β được tính theo công thức:

β = 48,1 – 0,12hb (2.37)

Công thức này cho thấy tham số hb tăng lên 10 lần thì β giảm đi 12 dB.

Các mô hình sau khi đã hoàn thiện cuối cùng thì cần tính đến các tác động

của địa hình và tác động cuả tần số sóng mang. Nói chung các mô hình đều xuất

phát từ việc phân tích các dữ liệu đã đo được của Okumura nhằm giúp cho việc

dự đoán trở nên dễ dàng và thuận lợi hơn và sau này có thêm các dữ liệu về địa

hình và các cấu trúc nhiễu xạ của Epstein-Peterson. Và mô hình cuối cùng được

miêu tả như sau:

L50(dB) = 82 + 26,16logf + 38logd - 21,8loghb - 0,15loghm + LD (2.38)

Trong đó LD nói lên tổ hao do nhiễu xạ. Mô hình này đã được kiểm tra bằng

cách dựa vào các dữ liệu được Allsebrook và Ibrahim tập hợp lại một cách độc

59

lập nhau. Và kết quả được tóm tắt lại trong bảng (2.4). Mô hình đã được đưa ra

này là khá tốt và kết quả cho thấy rằng mô hình có độ chính xác cao trên một

khoảng tần số truyền rộng

Tần số truyền

(MHz)

Dự đoán bằng

công thức (2.38)

Theo Allsebrook Theo Ibrahim

85,87 94,7 + 38logd 98 + 38logd167,2 105 + 38logd 101 + 38logd 106 + 38logd441,0 116 + 38logd 117 + 39logd 115 + 38logd

Bảng 2.4: Bảng so sánh các mô hình dự đoán trong các khu vực đô thị

CHƯƠNG III

TÓM TẮT CÁC ĐIỀU KIỆN PHỦ SÓNG KHÁC NHAU

VÀ MỘT SỐ VẤN ĐỀ TRONG HỆ THỐNG CDMA

3.1. Tổng quanNhư đã thấy trong chương 2, vấn đề phủ sóng trong thông tin di động vốn

phức tạp hơn nhiều so với việc phủ sóng của các dịch vụ vô tuyến cố định ở

cùng dải tần. Lý do là ngoài các suy hao truyền dẫn thuần tuý như ở các dịch

vụ vô tuyến cố định thì chúng ta còn phải tính đến các loại suy hao khác nhau

do đặc điểm và tính chất của môi trường vô tuyến di động. Trong thực tế môi

trường truyền sóng trong thông tin di động là rất phức tạp và phụ thuộc vào

nhiều thông số khác nhau như cự li, tần số đặc điểm địa hình tự nhiên (đất

phẳng, đồi núi, vùng nước, cây cối…), vào cấu trúc nhân tạo do quy hoạch

nhà cửa, đường xá.. của khu vực khảo sát (vùng mở, nông thôn, ngoại ô, thành

60

phố…) với mỗi đặc điểm địa hình tự nhiên và cấu trúc nhân tạo xác định một

môi trường truyền sóng được xem xét thì các thông số về độ cao ăng-ten trạm

gốc, độ cao ăng-ten máy di động và một loạt các thông số hệ thống khác lại

gián tiếp đóng góp vào suy hao của tín hiệu vô tuyến di động qua các cơ chế

gây ảnh hưởng phản xạ, nhiễu xạ và tán xạ sóng.

3.2. Các công thức tính toán phủ sóng cho các điều kiện khác nhau

3.2.1. Các mô hình cho môi trường trong nhà

Các nghiên cứu thực nghiệm đã cho thấy rằng việc sử dụng máy thu di động

cần tay trong nhà sẽ bị pha-đinh Rayleigh đa tia đối với các đường truyền bị

chướng ngại và pha-đinh Rician đối với các tia tầm nhìn thẳng không phụ thuộc

vào kiểu toà nhà.

Các đo đạc cho thấy rằng tổn hao các tầng không tăng tuyến tính theo dB

cùng với sự tăng của khoảng cách. Tổn hao tầng lớn nhất theo dB xảy ra khi máy

thu và máy phát cách nhau một tầng. Tổn hao đường truyền tổng tăng ở mức độ

thấp hơn khi số tầng tăng. Giá trị suy hao điển hình giữa các tầng là 15 dB cho

phân cách một tầng và thêm 6-10 dB trên một phân cách cho đến bốn tầng phân

cách. Đối với 5 hay nhiều tầng phân cách lớn hơn, tổn hao chỉ tăng vài dB cho

mỗi tầng như trong bảng (3.1).

61

Bảng 3.1:Tổn hao đường truyền trung bình và độ lệch chuẩnCác nghiên cứu thực nghiệm cho thấy rằng cường độ tín hiệu thu được

bên trong toà nhà tăng cùng với độ cao. Ở các tầng thấp của toà nhà, cụm

kiến trúc đô thị gây ra suy hao lớn hơn và giảm mức thâm nhập. Ở các

tầng cao có thể có đường truyền LOS tạo ra tín hiệu đến mạnh hơn ở

tường ngoài toà nhà. Người ta nhận thấy rằng, thâm nhập vô tuyến là hàm

của tần số và độ cao bên trong toà nhà.

62

Tổn hao thâm nhập tăng khi tần số tăng. Các phép đo phía trước một cửa

sổ cho thấy rằng tổn hao thâm nhập là 6 dB và thấp hơn tổn hao thâm nhập

so với các phép đo thực hiện ở các bộ phận của các toà nhà không có cửa

sổ. Các nghiên cứu thực nghiệm cũng cho thấy rằng tổn hao thâm nhập toà

nhà giảm ở mức 2 dB trên tầng từ mức tầng trệt đến tầng thứ 10 và sau đó

bắt đầu tăng từ khoảng tầng 10. Việc tăng tổn hao thâm nhập toà nhà ở các

tầng cao hơn là do ảnh hưởng che tối của các toà nhà lân cận

Tổn hao trung bình là một hàm số phụ thuộc vào khoảng cách luỹ thừa n:

+=

0log100 R

Rn)L(RL(R)

(3.1)

Trong đó: L(R): Là tổn hao đường truyền trung bình

L(R0): Là tổn hao đường truyền từ máy phát đến khoảng cách tham

khảo R0 dB.

n: Là mũ tổn hao trung bình.

R: Là khoảng cách đến máy phát

R0: Là khoảng cách khảo sát đến máy phát.

Khi chọn R0 = 1m và coi rằng L(R0) là tổn hao đường truyền trong không gian

tự do từ máy phát đến cự ly tham khảo 1m. Sau đó coi rằng hệ số khuếch đại ăng-

ten bằng các tổn hao của cáp hệ thống (trong thực tế thì không phải bao giờ điều

này cũng đúng) ta được tổn hao đường truyền L(R0) = 31,5dB ở tần số 914 MHz

trên đường truyền không gian tự do 1m.

Người ta nhận thấy rằng tổn hao đường truyền được phân bố log xung quanh

phương trình (3.1). Mũ tổn hao đường truyền trung bình n và lệch chuẩn phụ

thuộc vào kiểu toà nhà, khoảng cách giữa các toà nhà và số tầng giữa máy phát

63

và máy thu. Có thể xác định tổn hao đường truyền ở đoạn phân cách R (m) giữa

máy phát và máy thu như sau:

σXRLRL += )()( 0 [dB] (3.2)

Trong đó: L(R): Tổn hao đường truyền ở cự ky phân cách giữa máy phát và

máy thu.

σX : Biến ngẫu nhiên phân bố log chuẩn trung bình bằng không với

độ lệch chuẩn σ dB

Bảng ( 3.1) là tổng kết các mũ tổn hao đường truyền trung bình và lệch chuẩn

xung quanh trung bình cho các môi trường khác nhau.

Ở môi trường nhiều tầng, phương trình (3.1) có thể thay đổi để nhấn mạnh

mũ tổn hao đường truyền trung bình là hàm số của số tầng giữa máy phát và máy

thu. Giá trị n (nhiều tầng) cũng được cho trong bảng (3.1)

0log100 R

Rn)L(RL(R) += [dB] (3.3)

Trong đề xuất của một mô hình dự đoán tổn hao đường truyền khác, thừa số tổn hao

tầng được sử dụng FAF. Một thừa số tổn hao (theo dB) phụ thuộc vào số tầng và kiểu

toà nhà được đưa vào để tính tổn hao đường truyền trung bình, trong đó dự đoán tổn hao

của mô hình tổn hao đường truyền sử dụng tổn hao cùng tầng cho kiểu nhà cụ thể.

0

lg100 FAFR

Rn)L(RL(R) ++= [dB] (3.4)

Trong đó: R: tính theo m, và L(R0) = 31,7 dB tại 914 MHz

Giá trị của n ở đây là n cùng tầng

Bảng (3.2) cung cấp các thừa số suy hao và độ lệch chuẩn (theo dB) của hiệu

số giữa tổn hao đường truyền đo và dự đoán. Các giá trị thừa số suy hao ở trong

bảng (3.2) là trung bình (theo dB) của hiệu số giữa tổn hao đường truyền quan

sát ở các vị trí của nhiều tầng và giá trị tổn hao đường truyền trung bình dự đoán

64

mô hình Rn đơn giản (phương trình 3.1), trong đó n là mũ cùng tầng được cho

trong bảng (3.1) cho từng cấu trúc toà nhà và R là khoảng cách ngắn nhất trong

ba chiều giữa máy phát và máy thu.

FAF [dB] σ

Toà nhà văn phòng 1

Qua tầng 1 12,9 7

Qua hai tầng 18,7 2,8

Qua ba tầng 24,4 1,7

Qua bốn tầng 27,0 1,5

Toà nhà văn phòng 2

Qua 1 tầng 16,2 2,9

Qua 2 tầng 27,5 5,4

Qua 3 tầng 31,6 7,2

Bảng 3.2: Các thừa số tổn hao tầng trung bình

Mô hình thừa số suy hao tầng bê tông và vách ngăn mềm

Các ảnh hưởng của các vách ngăn mềm và tường bê tông (theo dB) giữa máy

phát và máy thu cho cùng tầng được mô hình hoá theo công thứ sau:

214

lg20 AFqAFpλ

πRL(R) ×+×+

= [dB] (3.5)

Trong đó: p: Số vách ngăn mềm giữa máy phát và máy thu

q: Số tường bê tông giữa máy phát và máy thu

λ: Là bước sóng (tính theo m)

AF1 = 1,39 dB cho một vách ngăn mềm

AF2 = 2,38 dB cho một tường bê tông.

3.2.2. Mô hình IMT2000

65

Vì ITU IMT2000sẽ là tiêu chuẩn toàn thế giới, nên các mô hình được đề xuất

để đánh giá các công nghệ truyền dẫn sẽ xét đến nhiều đặc tính môi trường gồm

các thành phố lớn, nhỏ, ngoại ô, vùng nhiệt đới, vùng nông thôn và các vùng sa

mạc. Các thông số chính của môi trường là:

Trễ truyền lan, cấu trúc và các thay đổi của nó.

Quy tắc tổn hao địa lý và tổn hao đường truyền bổ xung

ăng-ten che tối

Các đặc tính pha-đinh nhiều đường cho đường bao các kênh

Tần số vô tuyến công tác

3.2.2.1. Mô hình cho môi trường trong nhà

Môi trường này gồm các ô nhỏ và công suất phát thấp. Trạm gốc và người đi

bộ đều ở trong nhà. Trễ truyền lan trung bình quân phương nằm trong dải 35 đến

460 ns. Quy tắc tổn hao thay đổi vì sự phân tán và suy hao do tường, tầng và các

cấu trúc kim loại gây ra ảnh hưởng che tối. Che tối này có thể có luật log chuẩn

với dịch chuẩn 12 dB. Các đặc tính pha-đinh thay đổi từ Rician đến rayleigh với

dịch tần Doppler phụ thuộc vào tốc độ đi bộ.

−++++=

46012318lg3037

,F/FF,RPL [dB] (3.6)

Trong đó R: Là khoảng cách giữa máy thu và máy phát

F: Là số tầng trên đường truyền

3.2.2.2. Môi trường giữa trong, ngoài nhà và vỉa hè

Môi trường này gồm các ô nhỏ và công suất phát thấp. Các trạm gốc với ăng-

ten thấp được đặt ngoài trời, người đi bộ đều ở ngoài phố, bên trong nhà hoặc

ngôi biệt thự. Trễ trung bình quân phương nằm trong dải 10-1800 ns. Quy tắc tổn

hao địa lý R-4 được áp dụng. Nếu đường truyền có tầm nhìn thẳng trên phố dạng

hẻm núi thì tổn hao đường truyền tuân theo quy tắc R-2 khi tồn tại khoảng hở của

66

miền Fressnel. Đối với vùng có khoảng hở Fressnel lâu, thì quy tắc R -4 là phù

hợp, nhưng cũng có thể xảy ra đến R-6 do cây cối và che chắn dọc đường truyền.

Pha-đinh che tối luật log chuẩn với dịch chuẩn 12 dB cho trong nhà 10 dB cho

ngoài trời là hợp lý. Tổn hao thâm nhập toà nhà trung bình là 18 dB với lệch

chuẩn 10dB là phù hợp. Tốc độ pha-đinh Rician và pha-đinh Rayleigh thường

phụ thuộc vào tốc độ đi bộ, nhưng đôi khi xảy ra pha-đinh nhanh hơn do các xe

chuyển động

49lg30lg40 ++= cfRL [dB] (3.7)

Trong đó: fc: là tần số sóng mang (MHz)

Mô hình này chỉ phù hợp khi không có tầm nhìn thẳng và mô tả truyền sóng

tốt nhất với pha-đinh che tối chuẩn với độ lệch chuẩn là 10 dB. Tổn hao thâm

nhập toà nhà trung bình 18 dB với độ lệch chuẩn 10dB.

3.2.2.3. Môi trường xe cộ

Môi trường này gồm các ô tô lớn và công suất phát cao. Trễ trung bình quân

phương từ 0,4-12 ms có thể xảy ra ở các lộ đường dốc ở cùng đồi núi. Quy tắc

tổn hao địa lý R-4 và pha-đinh che tối chuẩn log với độ lệch chuẩn 10dB được sử

dụng ở các vùng thành phố và ngoại ô. Tổn hao thâm nhập toà nhà trung bình 1

dB với độ lệch chuẩn 10 dB. Ở các vùng nông thôn có địa hình phẳng, tổn hao

đường truyền thấp hơn so với vùng ngoại ô và thành phố. Ở các vùng đồi núi,

nếu có thể tránh được che chắn đường truyền bằng cách đặt trạm gốc, thì tổn hao

gần với R-2. Tốc độ pha-đinh thấp phù hợp cho các ứng dụng sử dụng các đầu

cuối cố định.

( ) 80lg21lg18lg2104140 ++−−−= cfbΔhRbΔh.L [dB]

(3.8)

Trong đó: R: là khoảng cách giữa MS và BS

67

fc: Là tần số sóng mang (MHz)

bh∆ : Là độ cao của ăng-ten BS so với mức trung bình của mái nhà

3.3. Đánh giá chung về các mô hình dự báo suy hao

3.3.1. Các mô hình dự báo suy hao

Các mô hình dự báo suy hao cả lý thuyết và thực nghiệm khi được xây dựng

đều trở lại so sánh với mô hình suy hao không gian tự do làm cơ sở hiệu chỉnh và

đánh giá. Mô hình lý thuyết cơ bản dự báo suy hao trong môi trường lý tưởng,

suy hao truyền dẫn là:

cfR,fL lg20lg20432 ++= (3.9)

Trong đó: R: là khoảng cách từ cell site tính bằng km

fc: là tần số phát, MHz

Lf: Là suy hao đường truyền trong không gian tự do

Khi khoảng hở Fressnel lớn hơn hoặc bằng 0,6 thì mô hình này được sử dụng để

đánh giá suy hao truyền lan trực tiếp (không có phản xạ từ bề mặt đất).

Mô hình lý thuyết có được độ chính xác cao nhất và có thể áp dụng cho một

phạm vi rộng các đặc điểm địa hình và cấu trúc nhân tạo là mô hình Lee. Trong

hầu hết các trường hợp, mô hình này cũng chính là cơ sở cho các mô hình thực

nghiệm và bán thực nghiệm cho dự báo suy hao môi trường truyền sóng thông

tin di động. Mô hình Lee dự báo vùng-vùng với giả thiết vùng phẳng được dựa

trên hai công thức cơ bản sau:

MGTGMhBhRγkTPRP ++++−−= log10log20log (3.10)

Trong đó: PR: Là mức tín hiệu thu tại khoảng cách R (dB)

PT: Là công suất phát, dBm

GT, GM: tương ứng là độ tăng ích ăng-ten phát và ăng-ten thu (dBi)

hB, hM: Tương ứng là độ cao các ăng-ten trạm gốc và máy di động

68

k, γ : Đây chính là hai thông số phản ánh đầy đủ tính chất của môi

trường qua các đặc điểm địa hình tự nhiên và cấu trúc nhân tạo. Đây

cũng chính là các thông số cần được xác định cho các vùng địa hình

điển hình tại Việt Nam.

Công thức thứ hai là:

00

log0

log0

αf

fn

R

RγRPRP +

−−= (3.11)

Trong đó: 0RP : Là mức công suất phát tại điểm 1km.

0f = 900 MHz là tần số làm việc

0α là thông số hiệu chỉnh được tính theo công thức: 543210 αααααα =

Trong đó 54321 ,,,, ααααα tương ứng là các hiệu chỉnh độ tăng ích ăng-ten trạm

gốc, ăng-ten máy di động, hiệu chỉnh công suất phát, và hiệu chinh độ tăng ích

ăng-ten trạm gốc và máy di động so với các thông số điều kiện chuẩn của Lee.

Có thể liệt kê các mô hình thực nghiệm và bán thực nghiệm về dự báo cường

độ tín hiệu vô tuyến di động áp dụng với các điều kiện thực tế khác nhau như:

Hata, Okumura, COST 213, Egli, Epstein-Petersons, Edwards & Durkin, Longly

& Rician, CCIR, Blomquist & ladell, Bullington, Allesbrook & Parson, BBC,

mô hình Ray tracing …, tuy nhiên xem xét cụ thể từng mô hình cho thấy không

thể áp dụng các mô hình nêu trên trong điều kiện đặt ra cụ thể đối với nước ta:

Mô hình Bullington: hoàn toàn tính cho mặt đất phẳng trong điều kiện tuyến

truyền sóng không bị che chắn hoặc che chắn bởi dạng hình nêm đơn giản. Như

vậy mô hình hoàn toàn chưa tính đến cũng như xây dựng thông số hiệu chỉnh

cho các ảnh hưởng của địa hình tự nhiên và các đặc điểm cấu trúc nhân tạo tới

quá trình truyền sóng.

Mô hình Egli: Mô hình này thừa nhận toàn bộ ảnh hưởng của địa hình mặt đất

qua một hệ số suy hao trung bình là 27,5 dB.

69

Mô hình Okumura: Mô hình xây dựng đồ thị thực nghiệm dự báo cho các

macrocell trên cơ sở một số thông số địa hình và môi trường. Mô hình phát triển

của mô hình này để xây dựng các công thức thực nghiệm tiện dụng hơn đó chính

là mô hình Hata. Trên cơ sở vùng địa hình khảo sát cho khu vực Tokyo và lân

cận, Hata đã xây dựng công thức thực nghiệm tính suy hao trung bình của truyền

dẫn theo ba loại vùng địa hình chính:

Vùng thành phố:

( ) )Ma(hBh,d,,cf,,L −−−++= lg8213lg556944lg16265569

(3.12)

Trong đó: cf : là tần số phát (MHz)

d: là khoảng cách từ trạm gốc tới máy di động (km)

a(hm): Là hệ số hiệu chỉnh độ cao ăng-ten thuê bao di động

hB, hM: tương ứng là độ cao ăng-ten trạm gốc và ăng-ten máy di động

Đối với thành phố lớn:

[ ] 112541lg298 −= Mh,,)Ma(h với cf ≤ 200 MHz

[ ]27511lg23 Mh,,)Ma(h = với cf ≥ 400MHz

Đối với thành phố trung bình, nhỏ:

[ ] [ ]80lg56170lg11 ,)c(f,Mh,)c(f)Ma(h −−−=

Đối với vùng ngoại ô:

542

28lg2 −

−= cfLSL (3.13)

Với L được xác định trong công thức (3.12), và

[ ] [ ]80lg56170lg11 ,)c(f,Mh,)c(f)Ma(h −−−=

Đối với vùng nông thôn:

9440lg33182lg8740 ,cf,)cf(,SLL −+−=

70

Trong đó: [ ] [ ]80lg56170lg11 ,)c(f,Mh,)c(f)Ma(h −−−=

Qua các công thức trên cho thấy, việc thiếu định lượng hoá khi áp dụng các

công thức dự báo cho các vùng cũng như đưa ra các hiệu chỉnh cần thiết về cấu

trúc nhân tạo với các đặc điểm khác nhau về mật độ phố xá, nhà cửa làm cho mô

hình còn thiếu đầy đủ. Thực tế mô hình được phát triển từ các phép đo thực

nghiệm của Okumura và chỉ thích hợp với các loại nhà ở Tokyo và lân cận. Kết

quả áp dụng ở một số nước, đặc biệt là các vùng thành phố của Mỹ cho độ sai

lệch đáng kể so với giá trị dự báo.

Mô hình Ibrahim & Parsons: Mô hình này được áp dụng cho các vùng đô thị

hoá cao với bán kính cell ≈ 500 m dưới dạng sau:

βTLL += (3.14)

Trong đó: LT: Là suy hao tính theo mô hình lý thuyết cho vùng phẳng

β: Được xác định qua một loạt các tham số cho thấy mức độ đô thị

hoá, đặc điểm cấu trúc nhân tạo của vùng thành phố:

KH,L,f

β +−+

+= 340180

4020 (3.15)

Với H, L, K lần lượt là chênh lệch độ cao giữa máy di động và trạm gốc, thông

số phản ánh mức độ sử dụng đất và thông số phản ánh mức độ đô thị hoá. Như vậy

mô hình này mới chỉ tính tới một số đặc điểm của cấu trúc nhân tạo, với địa hình tự

nhiên đặc thù của bán kính cell lớn hơn là không chính xác.

Mô hình Allesbrook & Parsons: Mô hình này thực chất là sự kết hợp của mô

hình Lee và và mô hình Ibrahim & Parsons:

H,L,f

RhThdL 34008140

20log20log40 −

++−= (3.16)

Trong đó: d, hT, hR tương ứng là khoảng cách từ trạm gốc tới máy di động, độ

cao ăng-ten trạm gốc và ăng-ten máy di động

71

L, H: là các thông số tương tự như trong phương trình (3.15)

Hai thừa số đầu của phương trình (3.16) phản ánh vai trò của mô hình Lee.

Rõ ràng đặc điểm địa hình tự nhiên và cấu trúc nhân tạo đều chưa được xác định

đầy đủ trong (3.16), khi chuyển xang một môi trường thức có khác biệt rõ đối

với các thông số này, mô hình đạt được độ chính xác thấp.

Mô hình COST 231: Mô hình này đạt được độ chính xác cao hơn nhiều so với

mô hình Hata, tuy nhiên mô hình này lại chỉ áp dụng cho tính toán dự báo cường

độ tín hiệu với các Microcell.

3.3.2. Đánh giá chung

a. Trước hết, cần phải khẳng định các mô hình cho cho tới nay đều bị hạn chế ở

một hoặc một số điểm sau:

Về băng tần công tác: Rất nhiều mô hình áp dụng cho một khoảng tần số rộng

trong khi không có phần hiệu chỉnh thực nghiệm cho tần số

Về phạm vi phủ sóng: Cho outdoor, indoor, Macrocell, Microcell: hầu hết các

mô hình đều được xây dựng một cách độc lập cho các trường hợp trên, trong khi

mô hình Lee là một trong số ít các mô hình dự báo vùng-vùng và điểm-điểm cho

cả Microcell và Macrocell.

Về yêu cầu tham số đầu vào: Thông thường đó là các độ cao ăng-ten hoặc độ

cao ăng-ten hiệu dụng, các dữ liệu về mặt đất, cây cối, nhà cửa… cho thông tin

về đặc điểm địa hình tự nhiên và cấu trúc nhân tạo. Một số mô hình như Ray

tracing, TIREM yêu cầu bắt buộc phải có dữ liệu đầu vào là bản đồ địa hình số

chi tiết cho mỗi khu vực.

Về thông số hiệu chỉnh: Thường thể hiện gắn liền với các giả thiết tính toán.

Bài toán hiệu chỉnh chỉ có thể đánh giá là tốt khi mô hình dự báo vượt hơn 68 %

trùng hợp với số liệu đo thực tế trong khoảng độ lệch chuẩn 2σ = 8 dB cho các

mô hình Điểm - Điểm.

72

Về phạm vi áp dụng cho các vùng địa hình tự nhiên và cấu trúc nhân tạo: Các

mô hình Ibrahim & Parsons, Allesbrook & Parsons, hay 3 Breaks là những ví dụ

về các hạn chế này khi bỏ qua nhiều thông số tính toán cho các ảnh hưởng của

môi trường và địa hình.

Về thống kê thực nghiệm hoặc lý thuyết: trên thực tế chỉ có mô hình thực

nghiệm và mô hình bán thực nghiệm. Trên cơ sở cách đặt vấn đề của chúng ta thì

mô hình áp dụng phải là mô hình bán thực nghiệm với các giả thiết đặt ra gần

với thực tiễn khai thác ở môi trường Việt Nam.

b. Chỉ có mô hình bán thực nghiệm Lee là hoàn toàn thích hợp cho việc xây dựng

các mô hình dự báo thực nghiệm cho môi trường Việt Nam. Mặt khác, các thông số

K, γ có mặt trong các công thức (3.10) và (3.11) phản ánh đầy đủ nhất các đặc thù

về môi trường truyền sóng và cùng với các thông số hiệu chỉnh α0 cho phép dự báo

tín hiệu vô tuyến với môi trường thực tại Việt Nam.

c. Các thông số K và γ khi được xác định cho môi trường thực tế đặc biệt có ý

nghĩa trong việc quy hoạch tối ưu phủ sóng cũng như tối ưu hoá các chỉ tiêu của

hệ thống thông tin vô tuyến di động.

3.4. Xây dựng mô hình thực nghiệm cho các vùng điển hình ở các đô thị Việt

Nam

3.4.1. Phương pháp xây dựng

Trên cơ sở các công thức bán thực nghiệm Lee (3.10) và (3.11) tiến hành đo

thực nghiệm xác định mức thu cường độ tín hiệu tại mỗi vị trí khoảng cách máy

di động so với trạm gốc tại mỗi cell cho các vùng điểm hình.

Đo thực nghiệm bảo đảm bề dày thống kê số liệu qua nhiều năm. Xác định

phân bố thống kê của các giá trị đo.

Xây dựng đường thực nghiệm, từ đó xác định K và γ tương ứng cho các vùng

địa hình khác nhau ở các đô thị Việt Nam.

73

Đánh giá công thức dự báo cho mỗi vùng địa hình so với các số liệu đo thực

tế tại các cell bất kỳ của vùng này, từ đó xác định mức độ chính xác của mô hình

xây dựng.

3.4.2. Mô hình thực nghiệm dự báo cường độ tín hiệu vô tuyến di động

Qua nghiên cứu, đo thực nghiệm, xây dựng đường dự báo và đánh giá mô hình

đạt được, các kết quả cho 4 nhóm dự báo cho các khu vực nội thành và ngoại ô Hà

nội, 4 nhóm dự báo cho các khu vực nội thành và ngoại ô thành phố Hồ Chí Minh ,

2 nhóm điạ hình đặc thù qua các vùng nước và vùng rừng cây như sau:

Nhóm 1 Hà Nội:

MGTGMhBhR,,TPRP ++++−−= log10log20log542572143 (3.17)

Nhóm 2 Hà Nội:

MGTGMhBhR,,TPRP ++++−−= log10log20log653678144 (3.18)

Nhóm 3 Hà Nội:

MGTGMhBhR,,TPRP ++++−−= log10log20log583982147 (3.19)

Nhóm 4 tại Hà Nội:

MGTGMhBhR,,TPRP ++++−−= log10log20log24942154 (3.20)

Nhóm 1 thành phố Hố Chí Minh:

MGTGMhBhR,,TPRP ++++−−= log10log20log632907147 (3.21)

Nhóm 2 thành phố Hố Chí Minh:

MGTGMhBhR,,TPRP ++++−−= log10log20log384886133 (3.22)

Nhóm 3 thành phố Hố Chí Minh:

MGTGMhBhR,,TPRP ++++−−= log10log20log613513142 (3.23)

Nhóm 4 thành phố Hố Chí Minh:

MGTGMhBhR,,TPRP ++++−−= log10log20log564115145 (3.24)

Vùng nước:

MG

TG

Mh

BhR,,

TP

RP ++++−−= log10log20log515259132 (3.25)

74

Vùng rừng cây:

MGTGMhBhR,,TPRP ++++−−= log10log20log034820140 (3.26)

Kết quả xác định phân bố số liệu thực nghiệm và xây dựng đường dự báo

thực nghiệm cho một nhóm vùng điển hình được biểu diễn trên hình 3.1

Hình 3.1: Đường dự báo thực nghiệm và phân bố số liệu thực nghiệm

So sánh kết quả giữa công thức dự báo và kết quả tính toán cho mô hình Hata

với cùng điều kiện cho thấy mô hình Hata cho sai lệch lớn và hầu như không phản

ánh được ảnh hưởng đặc thù của môi trường thực khi thay đổi giữa các nhóm vùng

địa hình. Biểu diễm mức sai lệch được chỉ rõ trên hình 3.2

75

Hình 3.2: So sánh mức sai lệch với tính toán theo Hata

Sử dụng các công thức dự báo được xây dựng, so sánh với các số liệu đo thực

tế cho các cell trong cùng nhóm vùng cho kết quả trùng khớp đều vượt quá 70 %

giá trị trong khoảng độ lệch chuẩn σ = 8 dB. Trên hình vẽ kết quả cho σ = 5,58

dB. Các kết quả này so sánh với các kết quả thực nghiệm của các nước khác cho

thấy có thể áp dụng tốt cho môi trường thực tế tại Việt Nam. Hình (3.3) biểu diễn

phép so sánh đánh giá này

76

77

Hình 3.3: Kết quả so sánh giữa giá trị dự báo và số liệu đo thực tế

3.4.3. Phân vùng địa hình áp dụng

Việc phân vùng địa hình được tiến hành trên cơ sở các yếu tố sau:

Xác định các vùng địa hình có tính tương đồng một cách định lượng hoá

Các cell thuộc cùng nhóm vùng địa hình phải có K và γ xấp xỉ nhau

Sử dụng các công thức dự báo của một nhóm vùng cho một cell bất kỳ

thuộc nhóm vùng đó phải đạt được số liệu trùng khớp với thực tế vượt

hơn 68 % số giá trị vùng-vùng là σ = 8dB. Mức tin cậy và độ tin cậy đạt

được là tốt so với các tiêu chuẩn của mô hình Lee

Thực nghiệm cho thấy các giá trị K và γ của các nhóm vùng điạ hình tự nhiên

và cấu trúc nhân tạo chủ yếu phụ thuộc vào các chỉ tiêu về mật độ xây dựng của

nhà cửa và các công trình trên đất tự nhiên.

Thực tế ở nước ta, phần lớn các đô thị lớn tập trung ở các vùng đồng bằng với

cốt nền các đô thị thường ở mức 5-6 m so với mực nước biển. Nói chung các đô

thị trong cả nước đều được xây dựng trên các miền đất phẳng với tỷ lệ đất đô thị

chiếm khoảng 0,2% diện tích đất tự nhiên cả nước. Các đô thị tại Việt Nam được

chia ra làm 3 loại với quy mô và kích cỡ khác nhau. Kết hợp việc xác định các

yếu tố yêu cầu cho phân vùng địa hình nêu trên, các chỉ tiêu và số liệu về quy

hoạch đô thị Việt Nam, có thể định lượng hoá việc phân nhóm vùng theo kết quả

trong phần mô hình thực nghiệm dự báo cường độ tín hiệu vô tuyến di động, trên

cơ sở các chỉ tiêu mật độ xây dựng, tỷ lệ đất giao thông, độ cao trung bình của

nhà cửa trong khu vực:

Nhóm 1 Hà Nội: Các khu vực ngoại ô và có thể xem là ngoại ô theo các chỉ tiêu kiến

trúc, xây dựng sau: Mật độ xây dựng nhỏ hơn 40%, tỷ lệ đất giao thông ≈ 10-12%, độ

cao trung bình của các toà nhà trong khu vực nhỏ hơn 10m.

78

Nhóm 2 Hà Nội: Các khu vực phố xá nội thành có đường phố rộng thoáng,

mật độ nhà cửa không cao, các khu vực quy hoạch mới với chỉ tiêu chung về

kiến trúc và xây dựng như sau: Mật độ xây dựng từ 40-50%, tỷ lệ đất giao thông

20-25%, với các đường phố chính rộng 20-30 m, độ cao trung bình của các toà

nhà trong khu vực 16-20 m.

Nhóm 3 Hà Nội: Các khu vực phố cũ nội thành có mật độ nhà cửa cao, đường

giao thông rộng và thoáng 20-30 m không nhiều, có chỉ tiêu chung: mật độ xây

dựng 50-60%, tỷ lệ đường giao thông 15-20%, Độ cao trung bình của các toà nhà

trong khu vực nhỏ hơn 17 m.

Nhóm 4 Hà Nội: Các khu phố cổ có mật độ nhà cửa đặc biệt cao, đường giao

thông hẹp, nhà lúp xúp với chỉ tiêu đánh giá chung: Mật độ xây dựng 60-80%, tỷ lệ

đường giao thông từ 10-15%, độ cao trung bình của nhà của trong khu vực nhỏ hơn

12m. Điển hình của nhóm địa hình này là khu vực 36 phố cổ.

Nhóm 1 thành phố Hồ Chí Minh: Các khu vực quy về nhóm vùng ngoại ô với

mật độ xây dựng nhỏ hơn 30%

Nhóm 2 thành phố Hồ Chí Minh: Các khu vực nội thành có mật độ xây dựng cao

60-70%, đường giao thông hẹp với tỷ lệ 17-20%. Điểm hình của nhóm này là phố xá

ở khu vực quận 5 và có nét tương đồng với nhóm 4 Hà Nội.

Nhóm 3 thành phố Hồ Chí Minh: Tương đồng với nhóm 2 Hà Nội, đây là khu

vực phố xá có đường rộng thoáng với mật độ xây dựng 30-50%, tỷ lệ đường giao

thông 20-22% với nhiều đường rộng 25-40 m, điển hình là khu vực phố rộng

đường thoáng ở Quận 1 và một số phố Quận 3.

Nhóm 4 thành phố Hồ Chí Minh: Các khu vực phố xá có mật độ khá cao 50-60%,

tỷ lệ đường giao thông 22-30% với đường rộng 20-30 m.

79

Đo thực nghiệm tại các khu vực đô thị lớn cho thấy căn cứ vào các chỉ tiêu

kiến trúc và xây dựng nêu trên có thể áp dụng cho các khu vực điển hình tại các

đô thị lớn tại Việt Nam theo các mô hình dự đoán.

3.5. Các vấn đề quan trọng có liên quan đến tính toán phủ sóng trong hệ thống CDMA

3.5.1. Điều khiển công suất trong hệ thống CDMATrong hệ thống thông tin di động tổ ong CDMA, các máy di động đều phát

chung ở cùng một tần số ở cùng một thời gian nên chúng gây nhiễu đồng kênh

đối với nhau. Chất lượng truyền của đường truyền vô tuyến đối với từng người

sử dụng trong môi trường trong môi trường đa người sử dụng phụ thuộc vào tỉ số

Eb/N0, trong đó Eb là năng lượng bit còn N0 là mật độ tạp âm trắng cộng tính

Gauss bao gồm tự tạp âm và tạp âm quy đổi từ máy phát của người sử dụng

khác. Để đảm bảo tỷ số Eb/N0 không đổi và lớn hơn ngưỡng yêu cầu thì cần phải

tiến hành điều khiển công suất các máy phát của người sử dụng theo khoảng

cách của nó với trạm gốc. Việc điều khiển công suất trong hệ thống CDMA là

một yêu cầu bắt buộc và việc điều khiển công suất phải tiến hành nhanh nếu

không dung lượng của hệ thống sẽ giảm. Chẳng hạn nếu công suất thu được của

một người sử dụng nào đó ở trạm gốc lớn hơn 10 lần công suất phát của người sử

dụng khác. Như vậy, dung lượng của hệ thống sẽ giảm đi một lượng bằng 9.

Công suất thu được ở trạm gốc phụ thuộc vào khoảng cách các máy di động so

với trạm gốc và có thể thay đổi đến 80 dB.

Dung lượng của một hệ thống CDMA đạt giá trị cực đại nếu công suất phát

của các máy di động được điều khiển sao cho ở trạm gốc công suất thu được là

như nhau đối với tất cả các người sử dụng. Điều khiển công suất được sử dụng

80

cho đường lên để tránh hiện tượng gần xa, và giảm thiểu ảnh hưởng của nhiễu

lên dung lượng của hệ thống.

Đối với công suất đường xuống không cần điều khiển công suất ở hệ thống

đơn ô, vì nhiễu gây ra bởi người sử dụng khác luôn ở mức không đổi đối với tín

hiệu hữu ích. Tất cả các tín hiệu đều được phát chung vì thế không xảy ra sự khác

biệt tổn hao truyền sóng như như ở đường lên. Ngoài việc giảm hiện tượng gần xa,

việc điều khiển công suất còn được sử dụng để giảm hiện tượng che tối và duy trì

công suất phát trên một người sử dụng, cần thiết để đảm bảo tỉ số lỗi bit ở mức

cho trước ở mức tối thiểu. Như vậy điều khiển công suất còn giúp phần làm tăng

tuổi thọ pin của máy cầm tay. Có ba cách để tiến hành điều khiển công suất:

Điều khiển công suất vòng hở (OPC_Open loop Power Control)

Điều khiển công suất vòng kín (CPC_ Closed loop Power Control)

Điều khiển công suất vòng ngoài (Outer Loop)

Một mong muốn là tối ưu các lợi ích của hệ thống CDMA bằng cách tăng số

lượng các cuộc gọi đồng thời trong một băng tần cho trước. Dung lượng của hệ

thống là tối đa khi tín hiệu truyền của máy di động được thu bởi BS có tỷ số tín

hiệu/nhiễu ở mức yêu cầu tối thiểu qua việc điều khiển công suất của máy di động.

81

Hình 3.4: Tác dụng điều khiển công suất trên kênh hướng lên

Kết quả của phương pháp điều khiển công suất mạch vòng hở và kín được chỉ

ra trên hình 3.4. Giao thoa Rayleigh của kênh hướng lên không liên quan tới

kênh hướng xuống.

3.5.2. Dung lượng

Dung lượng của một mạng vô tuyến là số người dùng trong cell, dung lượng

cung cấp tỉ lệ với bề rộng phổ có thể sử dụng. Giao diện vô tuyến sử dụng hiệu

quả phổ sẽ đảm bảo một dung lượng lớn. Trong hệ thống CDMA tất cả người

dùng có chung phổ băng rộng, nên người dùng sẽ vẫn còn được phục vụ chừng

nào còn kênh lưu lượng ở trạm gốc. Thêm thuê bao truy cập sẽ làm tăng mức can

nhiễu và ảnh hưởng đến dung lượng của hệ thống. Dung lượng của hệ thống

không chỉ phụ thuộc vào số kênh vật lý mà còn bị giới hạn bởi can nhiễu tổng.

Vậy điều khiển công suất là điều khiển dung lượng.

82

Trong hệ thống CDMA, để tăng dung lượng đường xuống ta có thể sử dụng các

kĩ thuật như phát không liên tục dựa vào sự tích cực thoại và phân đoạn ô. Nếu thời

gian tích cực thoại là 40% thì về mặt lí thuyết có thể đạt được thừa số cải thiện là

2,5. Phân đoạn một ô thành 3 ô cũng đảm bảo thừa số cải thiện là 3 khi ăng-ten định

hướng lý tưởng, trong thực tế thì hệ số này là 2,55.

Ở hệ thống CDMA, tất cả các kênh lưu lượng đều dùng chung một kênh vô

tuyến, vì thế tín hiệu mạnh thu được ở các trạm di động gần sẽ che tín hiệu từ các

trạm di động xa. Do đó việc điều khiển công suất áp dụng cho đường lên sẽ giảm

nhiễu giao thoa gây ra do hiện tượng gần xa nói trên.

Nếu xét đến ảnh hưởng của nhiễu giao thoa gây ra do các người sử dụng ở các ô

khác nhau thì ta phải xét đến thêm một thừa số tái sử dụng tần số F. Các tính toán

cho thấy tính toán dung lượng đường lên lớn hơn rất nhiều so với tính toán dung

lượng đường xuống. Do đó khi tính toán dung lượng của hệ thống CDMA ta phải

tính theo dung lượng đường xuống.

3.5.2.1. Dung lượng cực đường truyền hướng lên

Trong các hệ thống số, năng lượng mỗi bit Eb cần đạt mức cao hơn mật độ

nhiễu tổng I0 để có thể nhận đúng bit đã truyền:

Eb = P/R (3.27)

Trong đó: P: Là công suất tín hiệu nhận được ở ăng-ten trạm gốc

R: Là tốc độ bit dữ liệu

Giả thiết rằng: Điều khiển công suất là hoàn hảo

Thuê bao di động phát công suất đủ lớn

Phân bố thuê bao là đều có N người sử dụng

W là bề rộng băng tần của kênh

Khi đó, mật độ năng lượng nhiễu tổng như sau:

83

( )W

PNI

10

−= (3.28)

Từ (3.27) và (3.28) ta có:)(N

R

W

W

)P(NR

P

IbE

110 −

=−

= (3.29)

Giải ra đối với N ta được: N

Ib

ER

W

N ≈=−

0

1 (3.30)

Phương trình (3.29) là gần đúng bậc nhất. Dung lượng N còn bị ảnh hưởng bởi:

Nhiều từ các cell khác, sự tích cực tiếng, tạp âm nhiệt.

( ) ( )

011

00 NW

fPNρNI ++−=+ (3.31)

Trong đó: f: Là tỉ số năng lượng nhiễu từ các cell khác với cell xét

ρ: Là hệ số trung bình tích cực tiếng

N0: Là tạp âm nhiệt

Từ biểu thức (3.29) và (3.31) ta viết lại được như sau:

10

110

011

00 ++−=

++−=

+WN

f))P(ρ(N

WN

P

R

W

NW

f))P(ρ(NR

P

INbE

(3.32)

Dung lượng cực là dung lượng cực đại có thể đạt được trong những điều kiện đã

cho. Với khái niệm này công suất P là vô cùng lớn hơn tạp âm nhiệt.

10

11

000++−

+=

WN

f))P(ρ(N

W

P

INbE

WN

P (3.33)

f))(ρ(NW

R

INbE

W

R

NbE

WN

P

+−+

−=

1100

1

0

0 (3.34)

84

Vậy dung lượng cực tương ứng với vế phải của phương trình (3.34) vô cùng lớn,

nghĩa là mẫu số bằng 0:

1)1)(1(W00

=+−+

fNR

IN

Eb ρ (3.35)

N

IN

Ef

R

W

Nb

≈

++

=−

00

)1()1(

ρ (3.36)

Để tính toán dung lượng N một cách chính xác hơn, ta đưa vào hai thông số

sau: Thông số kể đến sự không hoàn hảo của điều khiển công suất và thông số

biểu thị can nhiễu giữa các dải quạt ở cùng một mặt bằng BTS. Ta có phương

trình về dung lượng cực hướng lên của hệ thống thông tin di động CDMA:

sGf

IN

bE

R

W

Nρ1

1

1

'0

'0

' +

+

= (3.37)

Trong đó: W/R là tăng ích xử lý

'0

'0

'

IN

bE

+ là tỷ số

00 IN

Eb

+ trong điều kiện công suất không hoàn hảo

GS: là tăng ích dải quạt hoá

Cụ thể là: 2

2)(

00'0

'0

' ee

INbE

IN

bEβσ

+=

+ (3.38)

Trong đó: 00 IN

Eb

+ là tỷ số (tín hiệu)/(nhiễu + tạp âm) cần thiết trong điều kiện

lý tưởng về công suất.

eσ : là phương sai điều khiển công suất

β: Là hằng số có giá trị 0,1ln10

Ta có thể dùng thông số F thay cho f như sau:

85

(3.39)

Khi đó (3.37) trở thành:

SGF

IN

bE

R

W

Nρ1

'0

'0

'

+

= (3.40)

Thí dụ: W = 1228800 Hz

R = 14400 bit/s

f = 0,7; ρ = 0,4; GS = 2,4/3 (3 dải quạt 1200)

dBIN

bE5,6

00=

+ ; σe = 2,5; β = 0,1ln10

Khi đó dBeIN

bE22,727,52

2)5,223,0(

10

5,6

10'0

'0

'==

×

=+

Dung lượng cực hướng lên là: 193

42

40

1

701

1

10227

10

14400

1228800

≈××+

×= ,

,,,N

Kết quả trên ứng với GOS = 2%, cho biết mỗi dải quạt tối đa đạt 19 người

(12,3 erlang), toàn mặt bằng BTS phục vụ 19 x 3 = 57 người dùng tối đa.

Nếu f = 0 (Cell cô lập) thì N = 32

Dung lượng cực là dung lượng lý thuyết, khi thiết kế không được vượt quá 75%

dung lượng cực, có nghĩa là trên thực tế một dải quạt không quá 14 người (8,2 erlang)

tính cho hướng lên. Ta có các quan hệ được biểu diễn trong (3.40):

Dung lượng cực hướng lên càng lớn nếu tốc độ dữ liệu thoại càng thấp.

Dung lượng cực hướng lên càng lớn nếu hạ thấp được yêu cầu về Eb/(N0 + I0).

Dung lượng cực hướng lên càng lớn nếu giảm nhỏ tích cực thoại.

86

Dung lượng cực hướng lên càng lớn nếu tỉ lệ can nhiễu ngoài cell so với trong

cell càng giảm.

Dung lượng cực hướng lên càng lớn nếu tăng ích dải quạt hoá càng tăng

Dung lượng cực hướng lên càng lớn nếu điều khiển công suất càng hoàn hảo

3.5.2.2. Tốc độ mã hoá thoại

Dung lượng sóng mang CDMA phụ thuộc vào tốc độ mã hoá thoại của

Vocoder được sử dụng. Biểu thức (3.40) chứng tỏ mối quan hệ của dung lượng

và tốc độ mã hoá thoại là quan hệ tỷ lệ nghịch. Các đồ thị tương ứng:

Tốc độ nhóm 1 là 9600 bit/s của Vocoder 8 Kbit

Tốc độ nhóm 2 là 14400 bit/s của Vocoder 13 Kbit

Hình 3.5: Ảnh hưởng của tỉ số 00 IN

bE

+ đối với dung lượng

3.5.2.3. Giá trị Eb/(N0 + I0)

Hình 3.5 chứng tỏ rằng nếu giá trị này càng nhỏ thì càng phục vụ được nhiều

người dùng hơn. Một hướng nghiên cứu nhằm mục đích tăng dung lượng là hoàn

thiện BTS sao cho giảm tối thiểu Eb/(N0 + I0) yêu cầu. Môi trường thông tin di

động yêu cầu giá trị Eb/(N0 + I0) = 7 đến 7,5 dB. Nếu xét riêng ảnh hưởng của Eb/

87

(N0 + I0), thì một hệ thống vô tuyến cố định cỉ yêu cầu Eb/(N0 + I0) thấp hơn 3

dB, so với thông tin di động thì sẽ tăng gấp đôi số người dùng.

3.5.2.4. 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 phát có thể giảm nhỏ, tương ứng giảm can nhiễu chung.

Hình 3.6 cho thấy rõ điều này. Khi tích cực thoại tăng thì số người dùng giảm.

Hình 3.6: Ảnh hưởng của tích cực thoại đối với dung lượng

3.5.2.5. Can nhiễu

Hình 3.7: Ảnh hưởng của nhiễu các cell khác đối với dung lượng

88

Hình 3.7 cho biết: nếu tỉ lệ nhiễu ngoài Cell so với nhiễu trong cell càng tăng

thì dung lượng càng giảm.

(3.41)

Các giá trị f tương ứng các mô hình truyền sóng

Ghi chú: Tốc độ suy hao x 10 = Suy hao đường truyền sóng

Giá trị f càng tăng từ loại hình cell này sang loại hình cell khác theo chiều sau: Cell

cách li < cell phủ sóng dọc đường cao tốc < Cell trong vùng mạng có ít cell < Cell giữa

nhiều cell khác.

3.5.2.6. Tăng ích dải quạt hoá

Tăng ích dải quạt hoá là thông số chính về mức can nhiễu lên cho các dải quạt khác

cho dải quạt đang xét. Gọi là tăng ích dải quạt hoá vì việc dải quạt hoá làm tăng số người

sử dụng so với Ommi. Khi số dải quạt trong một mătj bằng tăng lên thì mỗi dải quạt nhỏ

đi làm giảm can nhiễu mỗi dải quạt gây ra cho dải quạt khác, nhưng số dải quạt gây nhiễu

cho dải quạt xét lại tăng lên. Hình 3.8 trình bày cho trường hợp mặt bằng có ba dải quạt và

tăng ích dải quạt hoá tính cho cả mặt bằng là 0,8 x 3 = 2,4.

Hình 3.8: Tăng ích dải quạt hoá

3.5.2.7. Điều khiển công suất không chính xác

89

Sai số điều khiển công suất được xem là gần đúng logarit. Điều khiển tốc độ thấp

chống lại pha-đinh chậm có hiệu quả. Nhưng điều khiển tốc độ cao không giải quyết

được pha-đinh nhanh, lúc này kĩ thuật cài xen tỏ ra có ưu thế hơn.

3.5.2.8. Dung lượng đường truyền hướng xuống

Dung lượng đường truyền hướng xuống được tính toán tương tự như trên,

nghĩa là phải tính tỉ số năng lượng trên mỗi bit trên mật độ can nhiễu với người

dùng. Ở hướng xuống, các kênh pilot, nhắn tin, đồng bộ đều là can nhiễu đối với

kênh lưu lượng. Do đó để xác định lưu lượng đường xuống, ta phải xét đến ảnh

hưởng nói trên và điều kiện truyền sóng đa đường, tốc độ người dùng.

a. Tính gần đúng bậc nhất dung lượng đường truyền hướng xuống.

)11222333(

)1(

waywaySwaywaySwaywaySeffVN

ξξξξ

++−< (3.42)

R

Wii

errorFPCiwayN

bE

iionI

)(

10/

10)()(

λ

λξ

+

−= (3.43)

)(.)( iocnIiionI δ+= (3.44)

Trong đó: N: Là dung lượng tính bằng erlang

Veff: Là hệ số tích cực thoại hiệu dụng

Siway: Là tỉ lệ người dùng bị chuyển giao đường i

ξiway: Là tỉ lệ công suất cell cấp phát cho mỗi đường i

Ion(i): Là can nhiễu chuẩn hoá tổng đối với người dùng đường i

Iocn(i): Là nhiễu chuẩn hoá của cell khác (không bao gồm sóng mang liền kề)

λ(i): là tỉ lệ công suất phục hồi cho đường kết nối i

90

Bảng sau đây đưa ra các tham số điển hình. Với các tham số đó, ta áp dụng

các phương trình (3.42), (3.43), (3.44) thì tính được dung lượng đường truyền

hướng xuống:

Nếu là Vocoder tốc độ nhóm 1, N = 14,7 erlang

Nếu là Vocoder tốc độ nhóm 2, N = 7,5 erlang

Tham số 1 - Way 2 - Way 3 - WaySiway 0,4 0,35 0,25Iocn(i) 0,134 0,3 0,3λ(i) 0,92 0,92 0,8Eb/Nt-iway Cho 13Kb 15,5 dB 9 dB 7 dBEb/Nt-iway Cho 8 Kb 13 dB 7 dB 5 dBFPCerror 1,2 dB (13Kb)

1,5 dB (8Kb)ξiway 0,37W/R 85,33 (13kb)

128 (8Kb)Veff 0,48 (13kb)

0,56 (8Kb)

Bảng 3.3: Ví dụ về các tham số phục vụ tính toán dung lượng

b. Tính dung lượng: Số người dùng

∑+

=−=

)1(

11

gC

i iViF β (3.45)

avghFiC

νβ−= 1

(3.46)

1

33,33

1

2)3,232,22()2,121,1(νν

νν

scPscPscPscPscPh ++++= (3.47)

51,03;48,02;43,01

224

1

24

23

===

+=

ννν

αρν ii (3.48)

Trong đó: C: Là dung lượng cell (số người dùng)

91

g: Là tham số chuyển giao mềm

Fi: Là tỉ lệ công suất cấp phát cho thuê bao i

Vi: Là tham số tích cực tiếng của thuê bao i

Favg: Là tỉ lệ công suất cấp phát cho các kênh báo hiệu

h: Là hệ số giảm chuyển giao do công suất thêm vào của kênh điều

khiển công suất

Pic,js: Là xác suất chuyển giao của cell i, dải quạt j

νi: Là tích cực tiếng khi chuyển giao ở đường i

2iα : Là tăng ích điều khiển công suất khi chuyển giao ở đường i

(tính so với kênh lưu lượng)

ρ: Hệ số tích cực tiếng (giá trị trung bình)

3.5.3. Tái sử dụng tần số và vùng phủ sóng

Hình 3.9: Giao thoa từ các BS bên cạnh

Tất cả các BS đều tái sử dụng kênh băng rộng trong hệ thống CDMA. Giao

thoa tổng ở các tín hiệu máy di động thu được từ BS là giao thoa tạo ra trong các

92

máy di động của cùng một tế bào và giao thoa tạo ra trong các máy di động của

tế bào bên cạnh. Nói cách khác, tín hiệu của mỗi máy di động giao thoa với tín

hiệu của tất cả các máy di động khác. Giao thoa tổng từ tất cả các máy di động

bên cạnh bằng một nửa của giao thoa tổng từ các máy di động khác trong cùng

một tế bào. Hiệu quả tái sử dụng tần số của các BS không định hướng là khoảng

65%, đó là giao thoa tổng từ các máy di động khác trong cùng một tế bào với

giao thoa từ tất cả các BS.

Hình 3.4 trình bày giao thoa từ các tế bào bên cạnh theo %. Giao thoa từ mỗi

tế bào trong vòng biên thứ nhất tương ứng với 6% giao thoa tổng.

Do đó, giao thoa từ vòng biên thứ nhất gấp 6 lần 6%, tức là 36%, và giao thoa

tổng do vòng thứ hai và vòng ngoài là nhỏ hơn 4%. Trong trường hợp ăng-ten

BS là định hướng (tức là búp sóng ăng-ten là 1200) thì giao thoa trung bình giảm

xuống 1/3 vì mỗi ăng-ten kiểm soát nhỏ hơn 1/3 số lượng máy di động trong BS.

Do đó, dung lượng cung cấp bởi toàn bộ hệ thống tăng lên xấp xỉ 3 lần.

93

KẾT LUẬN

Sau một thời gian nghiên cứu và được sự hướng dẫn nhiệt tình của PGS, TS

khoa học, thầy giáo Nguyễn Quốc Bình, em đã lựa chọn tên đề tài của mình là

“Dự đoán phủ sóng trong hệ thống thông tin di động” và đã hoàn thành được

đề tài này. Tập đồ án này được chia làm 3 chương lớn và đã giải quyết được các

vấn đề: Kênh vô tuyến di động và các tác động cơ bản của nó; vấn đề về tính

công suất, quy hoạch phủ sóng; việc lựa chọn mô hình truyền sóng; và đôi nét về

các vấn đề quan trọng có liên quan đến tính toán phủ sóng trong hệ thống

CDMA (một hệ thống thông tin thông tin di động mới và có rất nhiều ưu điểm

vượt trội so với các hệ thống GSM).

Tập đồ án đã được hoàn thành, em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ rất nhiệt

tình của PGS, TSKH, thầy giáo Nguyễn Quốc Bình, cùng với sự quan tâm của

các thầy trong khoa VTĐT_HVKT Quân Sự.

Mặc dù vậy, do hạn chế về thời gian, kiến thức của bản thân nên tập đồ án

không tránh khỏi nhiều thiếu sót, nhiều vấn đề chưa được giải quyết một cách

đầy đủ và triệt để. Kính mong các thầy thông cảm, giúp đỡ và góp ý cho em để

em có thể hiểu biết thêm và rút kinh nghiệm sau khi ra công tác trong cuộc sống.

Em xin chân thành cảm ơn.

Hà Nội, ngày 12 tháng 4 năm 2007

Sinh viên thực hiện đồ án

94

Nguyễn Việt Phú

95