Đồ án Dự đoán phủ sóng trong hệ thống thông tin di động

hệ số khi so sánh với 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 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: (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: (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) 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 Lrts (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: (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) (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: (2.25) (2.27) = 4 + Cho các khu vực thành phố có kích thước trung bình và các khu vực ngoại ô có mật độ cây trung bình. = 4 + Cho các trung tâm thành phố lớn. (2.28) Số hạng 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 và 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 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) γ Không gian tự do 91,3 20 Không gian mở (nông thôn) 91,3 43,5 Ngoại ô 104,0 38,5 Khu vực đô thị Philadelphia 112,8 36,8 Newark 106,3 43,1 Tokyo 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 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 he 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: (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 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: 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. 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 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 + 38logd 167,2 105 + 38logd 101 + 38logd 106 + 38logd 441,0 116 + 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 quan Như 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 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). Bảng 3.1:Tổn hao đường truyền trung bình và độ lệch chuẩn Các 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. 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: (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 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: [dB] (3.2) Trong đó: L(R): Tổn hao đường truyền ở cự ky phân cách giữa máy phát và máy thu. : Biến ngẫu nhiên phân bố log chuẩn trung bình bằng không với độ lệch chuẩn 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) [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. [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 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] 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: [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 : 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 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. [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 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 [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. [dB] (3.8) Trong đó: R: là khoảng cách giữa MS và BS fc: Là tần số sóng mang (MHz) : 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: (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: (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 k, : 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: (3.11) Trong đó: : Là mức công suất phát tại điểm 1km. = 900 MHz là tần số làm việc là thông số hiệu chỉnh được tính theo công thức: Trong đó 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. 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: (3.12) Trong đó: : 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: với ≤ 200 MHz với ≥ 400MHz Đối với thành phố trung bình, nhỏ: Đối với vùng ngoại ô: (3.13) Với L được xác định trong công thức (3.12), và Đối với vùng nông thôn: Trong đó: 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: (3.14) Trong đó: LT: Là suy hao tính theo mô hình lý thuyết cho vùng phẳng : 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: (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: (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 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. 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. 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: (3.17) Nhóm 2 Hà Nội: (3.18) Nhóm 3 Hà Nội: (3.19) Nhóm 4 tại Hà Nội: (3.20) Nhóm 1 thành phố Hố Chí Minh: (3.21) Nhóm 2 thành phố Hố Chí Minh: (3.22) Nhóm 3 thành phố Hố Chí Minh: (3.23) Nhóm 4 thành phố Hố Chí Minh: (3.24) Vùng nước: (3.25) Vùng rừng cây: (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 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 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. 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. 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 CDMA Trong 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 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. 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. 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: (3.28) Từ (3.27) và (3.28) ta có: (3.29) Giải ra đối với N ta được: (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. (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: (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. (3.33) (3.34) Vậy dung lượng cực tương ứng với vế phải của phương trình (3.34) vô cùng lớn, nghĩa là mẫu số bằng 0: (3.35) (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: (3.37) Trong đó: W/R là tăng ích xử lý là tỷ số trong điều kiện công suất không hoàn hảo GS: là tăng ích dải quạt hoá Cụ thể là: (3.38) Trong đó: là tỷ số (tín hiệu)/(nhiễu + tạp âm) cần thiết trong điều kiện lý tưởng về công suất. : 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: (3.39) Khi đó (3.37) trở thành: (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) ; σe = 2,5; β = 0,1ln10 Khi đó Dung lượng cực hướng lên là: 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. 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 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/(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 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 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. (3.42) (3.43) (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 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 - Way Siway 0,4 0,35 0,25 Iocn(i) 0,134 0,3 0,3 λ(i) 0,92 0,92 0,8 Eb/Nt-iway Cho 13Kb 15,5 dB 9 dB 7 dB Eb/Nt-iway Cho 8 Kb 13 dB 7 dB 5 dB FPCerror 1,2 dB (13Kb) 1,5 dB (8Kb) ξiway 0,37 W/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 (3.45) (3.46) (3.47) (3.48) Trong đó: C: Là dung lượng cell (số người dùng) 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 : 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 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. 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 Nguyễn Việt Phú