Mô hình hóa mạng Wimax cố định

lệ thuê bao)*CR*A/100 (2.4) Tổng lưu lượng = 4000 * (64 + 64) * 1 / 4 * 70 / 100 + 20000 * [(256 + 64) * 60 + (512 + 128)*18 + (1024 + 256)*1,5 + (2048 + 512)*0,5]/100 * 1/10 * 70/100 = 564475 (Kbps) = 551,24 (Mbps) Ø Thông lượng dịch vụ dữ liệu trung bình 551,24 / 42 = 13,12 (Mbps/km2) Tổng hợp các yêu cầu thiết kế Ø Diện tích vùng phủ 42 km2 Ø Yêu cầu xác suất phủ sóng 95 % trên toàn bộ diện tích cell và 75 % tại lề cell Ø Yêu cầu lưu lượng 551,24 Mbps Ø Tần số hoạt động của mạng 3,5 GHz Ø Thỏa mãn các yêu cầu về điều kiện kiến trúc, địa hình Ø Đáp ứng các chỉ tiêu chất lượng dịch vụ theo mức tiêu chuẩn. 2.3.3 Lựa chọn thiết bị theo yêu cầu thiết kế Vấn đề lựa chọn thiết bị phải theo yêu cầu lưu lượng, nhất là đối với các khu vực trung tâm độ thị có mật độ thuê bao lớn. Trong khi đó quá trình tính toán suy hao và quỹ đường truyền nhằm mục đích xác định bán kính cell tối đa và đảm bảo được chất lượng tín hiệu thu. Bán kính cell càng lớn mật độ lưu lượng đáp ứng càng nhỏ và ngược lại, giá trị bán kính cell sẽ được tính toán sao cho thỏa mãn quỹ đường truyền và đáp ứng được thông lượng dữ liệu yêu cầu. a. Các yêu cầu Ø Yêu cầu thông lượng + Thông lượng trung bình T = 13,12 Mbps/km2 Ø Tần số hoạt động của mạng 3,5 GHz b. Lựa chọn thiết bị ► Các trạm gốc WiMAX cố đinh & di trú hiện nay có khả năng cung cấp lưu lượng dữ liệu trung bình 30 Mbps trên 1 sector, độ rộng kênh 10 MHz. Với cấu hình 3 sector/cell khả năng cung cấp trung bình của một cell 90 Mbps lưu lượng dữ liệu. Khả năng khi sử dụng cấu hình 6 sector/1 cell, mức điều chế dữ liệu cao nhất 64QAM, độ rộng kênh 20 MHz, khi đó có thể cung cấp tối đa 540 Mbps lưu lượng dữ liệu. ► Các thiết bị WiMAX cố đinh & di trú bao gồm trạm gốc và các trạm thuê bao cố đinh & di trú. Quan trọng nhất là lựa chọn trạm gốc sao cho thỏa mãn các yêu cầu thiết kế mạng WiMAX cố đinh & di trú. Đối với các trạm thuê bao cố đinh & di trú do có rất nhiều hãng sản xuất và sự lựa chọn thuộc về người sử dụng nên việc lựa chọn thông số trạm thuê bao cố đinh & di trú chỉ lấy các thông số tiêu chuẩn. ► Lựa chọn trạm gốc Các trạm gốc WiMAX cố đinh & di trú có thể lựa chọn sản phẩm trạm gốc cố đinh & di trú của các hãng Alvarion, Axxcelera, Airspan, SR-Telecom, Telsima. Ø Hãng Alvarion có phiên bản trạm gốc WiMAX cố đinh & di trú đó là BreezMAX BST + Đa truy nhập TDMA, song công TDD + Điều chế OFDM FFT 256 điều chế dữ liệu BPSK tới 64QAM + Độ rộng kênh cho phép 1,75 / 3,5 / 5 / 10 MHz + Hỗ trợ các băng tần 3.5 / 5.8 GHz + Sector 60o / 90o / 120o / 180o / vô hướng + Tốc độ dữ liệu 30 Mbps trên một sector (độ rộng kênh 10 MHz) + Công suất phát 40 dBm trên một phần tử anten Với kỹ thuật MIMO trạm gốc WiMAX có thể sử dụng nhiều hơn 1 phần tử anten phát, khi đó sẽ tăng công suất phát trong một anten. + Tăng ích anten 15 dBi + Độ nhạy thu – 115 dBm (QPSK Độ nhạy thu cũng phụ thuộc vào mức điều chế dữ liệu, độ nhạy thu với mức điều chế cao yêu cầu lớn hơn với khi điều chế mức thấp ) tới – 108 dBm (QPSK) Ø Hãng Axxcelera với phiên bản trạm gốc ExcelMAX + Đa truy nhập TDMA, song công TDD + Điều chế OFDM FFT 256, điều chế dữ liệu BPSK tới 64QAM + Độ rộng kênh cho phép 1,5 / 3 / 7 / 10 / 14 MHz + Sử dụng cho băng tần 3.5 GHz + Sector 45o / 60o / 90o / 120o / 180o / vô hướng + Tốc độ dữ liệu 40 Mbps trên một sector (độ rộng kênh 7 MHz) + Công suất phát 32 dBm trên một phần tử anten + Tăng ích anten 15 dBi + Độ nhạy thu – 101 dBm (BPSK) Ø Hãng Airspan có 2 phiên bản trạm gốc WiMAX cố đinh & di trú đó là HiperMAX dành cho macro cell và MicroMAX-SDR dành cho micro cell. + Đa truy nhập TDMA + Song công TDD + Điều chế OFDM FFT 256 , điều chế dữ liệu BPSK tới 64QAM + Độ rộng kênh cho phép 1,75 / 3,5 / 5 / 10 MHz + Hỗ trợ các băng tần 2.5 / 3.5 / 5 GHz + Sector 60o / 90o / 120o / 180o / vô hướng + Tốc độ dữ liệu trung bình 30 Mbps trên một sector (độ rộng kênh 10 MHz) + Công suất phát 35 dBm trên một phần tử anten Công nghệ anten thông minh và kỹ thuật MIMO cho phép trạm gốc WiMAX cố đinh & di trú có thể sử dụng nhiều phần tử anten trên một anten thu hoặc phát. + Tăng ích anten 15 dBi + Độ nhạy thu – 117 dBm (BPSK Độ nhạy thu cũng phụ thuộc vào mức điều chế dữ liệu, sử dụng mức điều chế cao yêu cầu độ nhạy thu lớn hơn khi sử dụng mức điều chế thấp ) tới – 108 dBm (16QAM) Ø Hãng SR-Telecom với phiên bản trạm gốc CBS5000 hỗ trợ WiMAX cố đinh & di trú + Đa truy nhập TDMA, song công TDD + Điều chế OFDM FFT 256, điều chế dữ liệu BPSK tới 64QAM + Độ rộng kênh cho phép 1,25 / 2,5 / 5 / 7 / 10 MHz + Hỗ trợ các băng tần 1.5 / 2.3 / 2.5 / 3.5 / 10 GHz + Sector 90o / 120o / 180o / vô hướng + Tốc độ dữ liệu trung bình 28 Mbps trên một sector (độ rộng kênh 10 MHz) + Công suất phát 32 dBm trên một phần tử anten + Tăng ích anten 17,5 dBi + Độ nhạy thu – 110.5 dBm (BPSK) tới – 92 dBm (16QAM) Ø Hãng Telsima với phiên bản trạm gốc StarMAX 6400-2.5G dành cho WiMAX cố đinh & di trú ở băng tần 3.5 GHz + Đa truy nhập TDMA, song công TDD + Điều chế OFDM FFT 256, điều chế dữ liệu BPSK tới 64QAM + Độ rộng kênh cho phép 1,5 / 3 / 7 / 10 / 14 MHz + Sử dụng cho băng tần 3.5 GHz + Sector 45o / 60o / 90o / 120o / 180o / vô hướng + Tốc độ dữ liệu trung bình 26 Mbps trên một sector (độ rộng kênh 10 MHz) + Công suất phát 32 dBm trên một phần tử anten + Tăng ích anten 15 dBi + Độ nhạy thu – 110 dBm (BPSK) – 91 dBm (16QAM) Qua sự xem xét và so sánh thông số trạm gốc cho WiMAX cố đinh và di trú , trạm gốc BreezMAX BST của Alvarion thích hợp nhất với mạng WiMAX cố đinh và di trú do hỗ trợ đầy đủ các đặc tính của công nghệ WiMAX cố đinh và di trú . Vì vậy có thể lựa chọn trạm gốc HiperMAX của Airspan cho việc thiết kế mạng WiMAX cố đinh và di trú của thành phố Hà Nội. ► Thông số trạm thuê bao cố đinh & di trú có thể lựa chọn các thông số tiêu chuẩn sau (dựa trên sự tham khảo thông số trạm thuê bao cố đinh và đi trú SSU5000 của SR-Telecom và BreezeMAX-3500 của hãng Alvarion). + Công suất phát 22 dBm trên một phần tử anten + 2 phần tử anten thu, 1 phần tử anten phát + Tăng ích anten 5 dBi + Độ nhạy thu – 100 dBm (BPSK) tới – 90 dBm (64QAM ¾) Tổng hợp các thông số thiết bị sử dụng trong tính toán Thông số Trạm gốc BreezMAX BST của Alvarion Trạm thuê bao BreezeMAX-3500 Tốc độ dữ liệu trung bình 30 Mbps/sector Công suất phát trên một phần tử anten 40 dBm 22 dBm Số phần tử anten phát 4 1 Số phần tử anten thu 2 2 Tăng ích anten 17 dBi 8 dBi Độ nhạy thu Mức điều chế thấp nhất - 117 dBm (BPSK) - 100 dBm (BPSK) Mức điều chế cao nhất - 108 dBm (16QAM) - 90 dBm (64 QAM) Bảng 2.5 Tổng hợp thông số thiết bị lựa chọn 2.4 Tính toán suy hao Tổng suy hao tín hiệu trên đường truyền từ trạm phát đến trạm thu bao gồm suy hao đường truyền vô tuyến (path loss) và các suy hao phụ. Suy hao đường truyền là suy hao cơ bản trong quá trình truyền dẫn phụ thuộc tần số, khoảng cách truyền sóng và môi trường truyền sóng. Các suy hao phụ tùy thuộc vào các điều kiện truyền dẫn và kiến trúc đô thị bao gồm các suy hao do fading, suy hao thâm nhập hay đâm xuyên vật chắn (do sự hấp thụ sóng điện từ của vật chắn đối với khi xuyên qua), các loại tạp âm và nhiễu, suy hao trong các đường dây và suy hao mối nối… 2.4.1 Tính toán suy hao đường truyền (path loss) Suy hao đường truyền (path loss) là sự suy giảm công suất tín hiệu trên đường truyền vô tuyến, suy hao đường truyền được tính thông qua các mô hình tính toán suy hao. Yếu tố lớn nhất ảnh hưởng tới suy hao đường truyền là tần số hoạt động của mạng. Với mỗi dải tần khác nhau ảnh hưởng của suy hao đường truyền là khác nhau, tần số càng lớn thì suy hao càng lớn và càng khó truyền trong môi trường NLOS. Hình 2.6 thể hiện thấy mối quan hệ giữa bán kính cell với suy hao đường truyền, được xem xét ở một số dải tần có thể được sử dụng cho WiMAX trong đó có WiMAX cố đinh & di trú (băng 3,5 GHz). Hình 2.6 Bán kính cell với suy hao đường truyền Để tính suy hao đường truyền cần phải sử dụng một mô hình tính toán suy hao phù hợp. Các mô hình tính toán suy hao thường dùng là mô hình không gian tự do, mô hình Hata, mô hình Okumura, mô hình COST 231 Hata, mô hình COST 231 Walfisch-Ikegami, mô hình ITU, mô hình Young, mô hình Erceg-Greensteis, mô hình SUI và nhiều mô hình khác. Mô hình tính toán suy hao dùng để dự đoán mức suy hao theo khoảng cách với một số điều kiện nhất định. Điều này có nghĩa là việc lựa chọn mô hình tính toán suy hao phải dựa vào các điều kiện thiết kế mạng như địa hình, kiến trúc hạ tầng, băng tần sử dụng, loại vùng (đô thị, ngoại ô, nông thôn). Với mạng WiMAX cố đinh và di trú sử dụng băng tần 3.5 GHz, môi trường truyền dẫn NLOS và điều kiện truyền đa đường được WiMAX ForumTM khuyến nghị sử dụng mô hình COST 231 Suburban (vùng ngoại ô) hoặc mô hình SUI . Mô hình SUI được sử dụng cho băng tần 3.5 GHz, mô hình này được dùng để tính toán cho WiMAX cố đinh và di trú. Mô hình COST 231 là mô hình tính toán suy hao được sử dụng phổ biến cho mạng di động với dải tần từ 1.5 GHz tới 2 GHz tuy nhiên vẫn hoàn toàn có khả năng dự đoán suy hao ở băng tần 3.5 GHz. Hai mô hình COST 231 thường dùng là COST 231 Hata và COST 231 Walfish-Ikegami. Mô hình SUI là mô hình tính toán suy hao thường được sử dụng cho băng tần 2.5 GHz và 3.5 GHz. ► Mô hình COST 231 Hata Mô hình COST 231 Hata là mô hình tính toán suy hao được sử dụng phổ biến trong các mạng di động. Mô hình này thích hợp khi sử dụng tính toán suy hao trong thành phố lớn hoặc trung bình với anten trạm gốc đặt cao. Công thức tính suy hao của mô hình COST 231 Hata Lp = 46,3 + 33,9logf −13,82loghb − a(hm) + (44,9 − 6,55loghb)logd + Cm (2.13) Trong đó Lp là giá trị suy hao, tính theo dB f là tần số sử dụng, tính theo MHz hb là chiều cao hiệu dụng của anten trạm gốc, tính theo m hm là chiều cao anten trạm di động, tính theo m d là khoảng cách từ trạm di động đến trạm gốc, tính theo km a(hm ) là hệ số hiệu chỉnh anten MS, tính theo dB a(hm ) = (1,1.log f − 0,7).hm − (1,56.log f − 0,8) (2.14) Cm là hệ số điều chỉnh loại vùng Cm = 0 dB với thành phố cỡ trung bình hoặc trung tâm ngoại ô Cm = 3 dB với trung tâm đô thị Các khoảng giá trị được sử dụng cho mô hình COST 231 Hata + Dải tần 1500 ~ 2000 MHz, tuy nhiên có thể sử dụng cho băng tần 2500 MHz + Độ cao anten trạm gốc 30 m < hb < 100 m + Độ cao anten trạm di động 1 m < hm < 10 m + Khoảng cách truyền sóng cho phép 100 m < d < 20 km. Hình 2.7 Đồ thị suy hao sử dụng mô hình COST 231 Hata Hình 2.7 là kết quả mô phỏng tính toán suy hao sử dụng mô hình COST 231 Hata – Suburban với các thông số lựa chọn + Tần số hoạt động 2500 MHz + Độ cao anten trạm gốc 60 m (đồ thị Lp-1) + Độ cao anten trạm gốc 40 m (đồ thị Lp-2) + Độ cao anten trạm di động 1,5 m + Khoảng cách truyền sóng 100 m <d < 3 km ► Mô hình COST 231 Walfish-Ikegami Mô hình COST 231 Walfish-Ikegami là mô hình tính toán suy hao có xem xét đến ảnh hưởng của các tòa nhà bao gồm độ cao các tào nhà, khoảng cách giữa các toàn nhà và ảnh hưởng độ rộng đường phố tới suy hao đường truyền. Mô hình COST 231 Walfish-Ikegami được chia ra để tính trong hai môi trường truyền sóng LOS (có tồn tại đường truyền trong tầm nhìn thẳng) và NLOS. Mô hình COST 231 Walfish-Ikegami thích hợp với các thành phố có mật độ các công trình cao tầng lớn, anten trạm gốc có độ cao trung bình. Ø Mô hình COST 231 Walfish-Ikegami trong môi trường truyền sóng LOS Điều kiện tồn tại đường truyền thẳng LOS (Line of sight) thường chỉ có ở vùng nông thôn hoặc các khu vực có ít nhà cửa. Trong các thành phố chỉ tại các quảng trường rộng, trên các đường phố lớn và đường truyền không bị chắn bởi một tòa nhà cao tầng mới tồn tại đường truyền LOS. Trong môi trường truyền sóng LOS mô hình COST 231 Walfish-Ikegami không có các tham số về kiến trúc hạ tầng. Tuy nhiên so với mô hình không gian tự do, mức suy hao theo mô hình COST 231 Walfish-Ikegami trong môi trường truyền sóng LOS lớn hơn 10 dB do đã tính tới các yếu tố ảnh hưởng tới suy hao có liên quan tới kiến trúc đô thị (ảnh hưởng của tán xạ khi không thỏa mãn điều kiện khoảng hở của miền Fresnel thứ nhất). Công thức tính suy hao (2.5) Lp = 42,6 + 26logd + 20logf (2.7) Trong đó Lp là giá trị suy hao, tính theo dB d là khoảng cách từ trạm phát tới trạm thu, tính theo km f là tần số hoạt động, tính theo Mhz Ø Mô hình COST 231 Walfish-Ikegami trong môi trường truyền sóng NLOS Trong các thành phố môi trường truyền sóng chủ yếu là NLOS. Trong điều kiện truyền dẫn NLOS mô hình COST 231 Walfish-Ikegami có tính đến ảnh hưởng của những tòa nhà dọc theo đường truyền từ trạm phát đến trạm thu, độ rộng đường phố và ảnh hưởng của tán xạ, nhiễu xạ qua vật chắn. Theo mô hình COST 231 Walfish-Ikegami tín hiệu từ trạm phát tới trạm thu thông qua sự phản xạ, khúc xạ, nhiễu xạ qua các vật chắn mà ở đây chủ yếu là các tòa nhà. Mô hình COST 231 Walfish-Ikegami cho đường truyền NLOS tính toán tổng suy hao bao gồm suy hao trong đường truyền không gian tự do, suy hao tán xạ đa vật chắn, suy hao do nhiễu xạ qua vật chắn (chủ yếu là các mái nhà). Theo mô hình COST 231 Walfish-Ikegami tia sóng từ anten phát tới anten thu phải truyền qua không gian tự do, tán xạ và nhiễu xạ khi qua vật chắn (mái nhà) sau đó tới anten thông qua sự phản xạ từ tòa nhà bên cạnh. Các yếu tố được tính đến trong quá trình truyền dẫn trên bao gồm khoảng cách truyền sóng qua không gian tự do, độ cao vật chắn (độ cao tòa nhà tính đến mái), khoảng cách các tòa nhà và độ rộng đường phố. Hình 2.8 minh họa mô hình COST 231 Walfish-Ikegami trong điều kiện truyền dẫn NLOS. Hình 2.8 Mô hình COST 231 Walfisch-Ikegami môi trường NLOS Các tham số được sử dụng trong mô hình này bao gồm: - Tần số công tác f (MHz) - Chiều cao anten trạm phát hb (m) - Chiều cao anten trạm thu hm (m) - Khoảng cách giữa trạm phát và trạm thu d (m) - Chiều cao trung bình của các toà nhà hr (m) - Độ rộng đường phố w (m) - Khoảng cách trung bình giữa các toà nhà b (m) - Góc tới của tia sóng so với chiều di chuyển φ (độ o) Công thức tính suy hao trong môi trường truyền dẫn NLOS LP = Lf + Lrts + Lms (2.8) LP = Lf nếu Lrts + Lms ≤ 0 (2.9) Trong đó Lp là tổng suy hao, tính theo dB Lf là suy hao không gian tự do, tính theo dB (Lf : free space loss) Lrts là suy hao do tán xạ và nhiễu xạ bởi vật chắn, tính theo dB (Lrts: rooftop to street diffraction and scatter-loss) Lms suy hao tán xạ đa vật chắn, tính theo dB (Lms: multiscreen diffraction loss) Chú ý công thức 2.9 suy từ công thức 2.8 trong điều kiện Lrts + Lms ≤ 0, khi đó coi như không có suy hao Lrts và Lms. Nếu tính được Lrts + Lms ≤ 0 mà vẫn sử dụng công thức 2.8 khi đó giá trị suy hao Lrts + Lms sẽ trở thành tăng ích, đây là điều phi thực tế. Do đó nếu Lrts + Lms ≤ 0 thì phải sử dụng công thức 2.9 + Suy hao trong không gian tự do được tính theo công thức (2.10) Lf = 32,4 + 20.logd + 20.logf (2.10) Trong đó Lf là giá trị suy hao trong không gian tự do, tính theo dB d là khoảng cách từ trạm phát đến trạm thu, tính theo km f là tần số hoạt động, tính theo MHz + Suy hao do tán xạ và nhiễu xạ bởi vật chắn tính theo công thức (2.11) Lrts = -16,9 − 10.logW + 10.logf + 20.log(hr − hm) + L0 (2.11) Trong đó Lf là giá trị suy hao do tán xạ và nhiễu xạ bởi vật chắn, tính theo dB W là độ rộng đường phố, tính theo m hr là chiều cao trung bình của các toà nhà, tính theo m hm là chiều cao anten trạm thu, tính theo m L0 là sai số do suy hao tán xạ và nhiễu xạ, tính theo dB L0 = -10 + 0,354. φ với 0 ≤ φ ≤ 35º L0 = 2,5 + 0,075.(φ - 35) với 35º ≤ φ ≤ 55º L0 = 4,0 - 0,114.(φ - 55) với 55º ≤ φ ≤ 90º + Suy hao tán xạ đa vật chắn tính theo công thức (2.12) Lms = Lbsh + Ka + Kd .logd + Kf. logf – 9.logb (2.12) Trong đó Lf là giá trị suy hao tán xạ đa vật chắn, tính theo dB b là khoảng cách giữa các toà nhà dọc theo đường truyền, tính theo m hb là chiều cao trạm phát hr là chiều cao tòa nhà d là khoảng cách từ trạm phát đến trạm thu Giá trị Lbsh tính trong các trường hợp Lbsh = -18log(1 + hb – hr) khi hb > hr Lbsh = 0 khi hb < hr Giá trị Ka tính trong các trường hợp Ka = 54 khi hb> hr Ka = 54 - 0,8hb khi hb ≤ hr và d ≥ 500m Ka = 54 - 1,6(hb – hr).d khi hb ≤ hr và d ≤ 500m Giá trị Kd tính trong các trường hợp Kd = 18 khi hb > hr Kd = 18 – 15(hb – hr)/hr khi hb < hr Giá trị Kf tính trong các trường hợp Kf = -4 + 0,7(f/925 - 1) đối với thành phố trung bình và vùng ngoại ô có mật độ cây trung bình Kf = -4 + 1,5(f/925 - 1) đối với trung tâm thành phố Độ cao tòa nhà tính đến mái nhà hr = 3(số tầng) + nóc nhà. nóc nhà 3 m cho nóc nhà có mái nóc nhà 0 m cho nóc nhà phẳng Hình 2.9 Đồ thị suy hao sử dụng mô hình COST 231 Walfish-Ikegami Với các giá trị tham số cho trước ta có thể tính được giá trị suy hao Lp theo khoảng cách d và vẽ được đồ thị suy hao. Hình 2.9 thể hiện kết quả mô phỏng tính toán suy hao sử dụng mô hình COST 231 Walfish-Ikegami với hai bộ thông số khác nhau. Xét tần số hoạt động 2500 Mhz, khoảng cách 20 m < d < 3 km. > Bộ thông số thứ nhất (trung tâm thành phố): độ cao anten trạm phát 60 m, độ cao anten trạm thu 1,5 m, số tầng nhà 15, nóc nhà chọn 0 m, khoảng cách giữa các tòa nhà b = 30 m, độ rộng đường phố w = 30 m, φ lấy mặc định. Thể hiện trên đường đồ thị (Lp-1) > Bộ thông số thứ hai (thành phố trung bình): độ cao anten phát 40 m, độ cao anten trạm thu 1,5 m, số tầng nhà 4, nóc nhà 3 m, khoảng cách giữa các tòa nhà b = 15 m, độ rộng đường phố w = 20 m, φ lấy mặc định. Thể hiện trên đường đồ thị (Lp-2) Các khoảng giá trị được sử dụng cho mô hình COST 231 Walfish-Ikegami + Khoảng cách toà nhà 10 m < b < 50 m + Độ rộng đường phố 10m < w < 40 m + Khi không xác định φ lấy mặc định φ = 30o hoặc φ = 90o khi đó Lo = 0.5 dB + Độ cao anten trạm gốc 32 m < hb < 50 m + Độ cao anten trạm di động 1 m < hm < 3 m + Khoảng cách truyền sóng cho phép 20 m < d < 5 km. ► Mô hình SUI Mô hình SUI là mô hình suy hao tính toán dựa trên yếu tố địa hình của vùng phủ sóng. Mô hình SUI được áp dụng cho 3 loại địa hình đặt tên là A, B và C. Loại địa hình A là địa hình đồi núi, mật độ cây cối từ vừa đến rậm rạp, tương ứng với mức suy hao cực đại. Loại địa hình C địa hình bằng phẳng với mật độ cây cối thưa, tương ứng với mức suy hao tối thiểu. Loại B được mô tả với đặc điểm địa thế phần lớn phẳng có mật độ cây cối rậm rạp hoặc là địa hình đồi núi với mật độ cây cối thưa. Phương trình suy hao cơ bản với những hệ số chính theo công thức (2.1) PL = A + 10.γ.log10(d/d0) + Xf + Xh + s (2.1) Trong đó: + PL là giá trị suy hao (dB) + d là khoảng cách giữa anten trạm gốc và anten của trạm di động (m) + do = 100 m + s là hệ số fading chuẩn loga, được dùng để dự trữ fading chậm do các vật cản như cây cối và những vật cản khác gây ra, có giá trị trong khoảng từ 8dB đến 10dB Các tham số A và γ được tính như sau: A = 20log10(4.л.d0/λ) (2.2) γ = a – b.hb + c/hb (2.3) + hb là độ cao của trạm gốc tính từ mặt đất (m) Các tham số a, b, c lấy các giá trị theo loại địa hình như trong bảng 2.6 Tham số Địa hình loại A Địa hình loại B Địa hình loại C a 4.6 4.0 3.6 b (m-1) 0.0075 0.0065 0.005 c (m) 12.6 17.7 20 Bảng 2.6 Các tham số địa hình Các hệ số hiệu chỉnh cho tần số làm việc và chiều cao anten trạm di động Xf = 6.0 log10(f /2000) (2.4) Xh = -10.8 log10 (hr /2) cho địa hình loại A và B (2.5 a) = -20.0 log10 (hr /2) cho địa hình loại C (2.5 b) Trong đó + f là tần số hoạt động (MHz) + hr là chiều cao của anten trạm di động tính từ mặt đất (m). Hình 2.10 Đồ thị suy hao mô hình SUI Hình 2.10 là kết quả mô phỏng suy hao sử dụng mô hình SUI với 3 loại địa hình A, B và C Các tham số đầu vào + Tần số 3500 MHz + Độ cao anten trạm gốc 60 m + Độ cao anten trạm thuê bao 2 m + Hệ số fading chuẩn loga 8 dB Xem xét điều kiện thành phố Hà Nội là vùng đồng bằng, địa hình bằng phẳng do đó sử dụng mô hình SUI với loại địa hình C. Đồ thị suy hao tương ứng loại địa hình C được chỉ ra trên Hình 2.10 2.4.2 Dự trữ suy hao phụ Các suy hao phụ góp phần làm tăng tổng suy hao tín hiệu cũng như làm giảm tỉ số tín hiệu trên nhiễu SNR tại điểm thu (làm tăng công suất nhiễu). Để đảm bảo chất lượng tín hiệu và đảm bảo thông tin liên lạc giữa trạm phát và trạm thu cần có dữ trữ suy hao phụ. Mức dự trữ suy hao phụ thuộc vào các loại suy hao gặp phải trong quá trình truyền tín hiệu. Các suy hao phụ được chia ra hai loại bao gồm suy hao hệ thống và suy hao do môi trường truyền sóng. a. Suy hao hệ thống Suy hao hệ thống bao gồm các yếu tố gây suy hao có liên quan tới hệ thống như tạp âm trạm gốc, tạp âm trạm thuê bao, suy hao cáp, suy hao mối nối… Tất cả các yếu tố suy hao hệ thống phụ thuộc thiết bị sử dụng và không liên quan tới quá trình truyền sóng trong không gian. ► Tạp âm trạm gốc, tạp âm trạm thuê bao làm tăng công suất nhiễu do đó làm giảm độ nhạy thu. Tạp âm trạm được tính vào trong độ nhạy thu. Do đó ta không cần quan tâm đến thông số này. ► Suy hao do cáp và mối nối làm suy giảm công suất tín hiệu trên đường truyền cáp từ trạm phát lên anten. Giá trị suy hao phụ thuộc loại cáp, độ dài cáp và số lượng các vị trí nối cáp. + Công thức tính suy hao do cáp LC = l . α (2.12) Trong đó LC là giá trị suy hao do cáp (dB) l là độ dài cáp (m) α là hệ số suy hao (dB/m) Với loại cáp tiêu chuẩn sử dụng cho tần số 2,5 GHz thì α = 0,05 dB/m Với độ dài cáp trung bình từ trạm phát lên anten l = 20 m thì suy hao do cáp được xác định LC = 20 * 0,05 = 1 (dB) + Suy hao mối nối có thể lấy giá trị chuẩn 1 dB + Giá trị suy hao cáp và suy hao mối nối được lấy 2dB b. Suy hao do môi trường truyền sóng Suy hao do môi trường là các yếu tố suy hao do các điều kiện truyền sóng bao gồm suy hao do fading, suy hao thâm nhập (hấp thụ) qua vật chắn và nhiễu. ► Suy hao do fading Fading là hiện tượng cường độ tín hiệu tại điểm thu thay đổi theo thời gian bởi những biến động trong môi trường truyền dẫn hoặc trên đường truyền vô tuyến. Hai loại fading phổ biến là fading chậm và fading nhanh, được áp dụng trong môi trường truyền sóng vô tuyến cố đinh & di trú (thông tin cố đinh & di trú). Ø Fading chậm là sự che khuất tín hiệu (Shadowing) hay fading phạm vi rộng (Large-Scale fading). Fading chậm gây ra bởi sự di chuyển trong phạm vi rộng của đầu cuối cố đinh & di trú hoặc do các vật chắn trên đường truyền sóng (các công trình cao tầng, cây cối… ). Fading chậm thường được mô hình hóa như là phân bố chuẩn loga (log normal) và còn được gọi là fading chuẩn loga. Ø Fading nhanh là fading đa đường (Multipath fading) hay fading phạm vi hẹp (Small-Scale fading). Fading nhanh xuất hiện với sự di chuyển trong phạm vi hẹp của đầu cuối cố đinh & di trú hoặc do các vật chắn trên đường truyền sóng (các công trình cao tầng, cây cối… ) Đối với WiMAX cố đinh & di trú sử dụng mô hình tính toán suy hao SUI đã tính đến hệ số suy hao do fading chuẩn loga hay fading chậm. Ngoài ra WiMAX cố đinh & di trú không chịu ảnh hưởng của fading nhanh ►Suy hao thâm nhập (hấp thụ) Khi trạm thu nằm sau các vật cản thì sóng vô tuyến phải xuyên qua các vật cản để đến anten thu. Tín hiệu thu sẽ chịu suy hao thâm nhập hay suy hao do sự hấp thụ của vật cản. Đối với mạng WiMAX cố đinh & di trú khả năng tín hiệu chịu suy hao thâm nhập khi trạm thu và trạm gốc bị chắn bởi một tòa nhà cao tầng hoặc khi thuê bao ở trong nhà hay trong xe ô tô. Các vật cản có chất liệu khác nhau như tường gạch, tường bê tông, cửa kính, cửa gỗ, cửa sắt… Mỗi loại chất liệu có hệ số hấp thụ khác nhau do đó gây ra mức suy hao khác nhau. Suy hao thâm nhập sẽ làm giảm đáng kể phạm vi phủ sóng trong một cell. Do đó để đảm bảo thông tin liên lạc tốt trong quá trình truyền dẫn cần có dự trữ suy hao thâm nhập. Mức dự trữ sẽ lấy giá trị trong điều kiện suy hao thâm nhập lớn nhất Bảng 2.7 cho biết mức suy hao thâm nhập khi xuyên qua một số loại vật cản thông dụng xét với tần số 3.5 GHz (nguồn Radionet.com). Các giá trị suy hao được tính với độ dày các lớp vật liệu theo tiêu chuẩn kiến trúc. Vật cản Mức suy hao (dB) Tường gạch có cửa sổ 2 Tường gạch 3 Tường bê tông 10 Kim loại (cửa sắt, mái tôn) 6 Tường gạch xỉ, tường đá bọt (núi lửa) 4 Vỏ xe ô tô 2 Bảng 2.7 Mức suy hao thâm nhập một số loại vật cản Xét trong điều kiện kiến trúc Hà Nội, các ngôi nhà có tường gạch, nhiều cửa sổ, mái bê tông hoặc mái tôn. Các công trình lớn, cao tầng không có nhiều, phân bố thưa. Để đảm bảo điều kiện truyền dẫn phải lấy mức dự trữ suy hao thâm nhập lớn nhất là suy hao khi xuyên qua các tòa nhà cao tầng hoặc qua tường bê tông 10 dB. ► Dự trữ nhiễu Nhiễu trên đường truyền làm giảm tỉ số tín hiệu trên nhiễu (SNR) do đó giảm chất lượng tín hiệu thu. Ngoài ra nhiễu liền kênh có thể gây ảnh hưởng xấu đến việc tái sử dụng tần số. Vì vậy phải có dự trữ nhiễu để đảm bảo công suất tín hiệu thu đủ lớn, tăng cường chất lượng tín hiệu thu. Mức dự trữ nhiễu đường xuống là 2 dB, mức dự trữ nhiễu đường lên 3 dB (tham khảo WiMAX Forum). Ngoài ra với đặc điểm sử dụng công nghệ OFDM trong điều chế sóng mang nên WiMAX có khả năng chống được nhiễu xuyên ký tự ISI. Ø Các mức dự trữ nhiễu + Dự trữ nhiễu đường xuống 2 dB + Dự trữ nhiễu đường lên 3 dB Tổng hợp các mức dự trữ suy hao phụ Loại suy hao Mức dữ trữ Suy hao thâm nhập 10 dB Suy hao cáp và mối nối 2 dB Nhiễu đường xuống 2 dB Nhiễu đường lên 3 dB Bảng 2.8 Tổng hợp các mức dự trữ suy hao phụ 2.5 Tính toán phạm vi phủ sóng 2.5.1 Tính toán quỹ đường truyền Tính toán quỹ đường truyền là tính toán tổng tăng ích hệ thống và tổng suy hao khi tín hiệu truyền qua môi trường tới phía thu sao cho công suất tín hiệu nhận được tại phía thu không nhỏ hơn độ nhạy thu. Tổng tăng ích hệ thống bao gồm các thông số công suất phát, độ nhạy thu, tăng ích anten, tăng ích do sử dụng đa anten và độ lợi chuyển giao mềm. Độ lợi chuyển giao mềm tạo ra tăng ích 2 dB. Tính toán quỹ đường truyền là tính toán tổng tăng ích hệ thống và tổng suy hao. Quỹ đường truyền đường xuống được cho trong bảng 2.9, quỹ đường truyền đường lên được cho trong bảng bảng 2.10. Các thông số được sử dụng bao gồm thông số thiết bị được lựa chọn trong mục 2.2.3 (trạm gốc BreezMAX BST của Alvarion, trạm thuê bao lấy theo tiêu chuẩn) và mức dự trữ suy hao được xác định trong mục 2.3.1 b. Thông số Giá trị Đơn vị Công thức Thông số trạm gốc (BreezMAX BST của Alvarion) Công suất phát trên một phần tử anten 40 dBm a Số phần tử anten phát 4 b Tăng ích kết hợp phần tử anten 6 dB c = 10logb Tăng ích anten 15 dBi d Suy hao cáp 2 dB e EIRP 59 dBm f = a + c + d - e Thông số trạm thuê bao Tăng ích anten 5 dBi g Số phần tử anten thu 2 h Tăng ích kết hợp phần tử anten 3 dB i = 10logh Độ nhạy thu – 100 (BPSK) – 90 (64QAM) dBm j Tổng tăng ích hệ thống 167 157 dB k = f + g + i – j Dự trữ suy hao phụ Dự trữ nhiễu 2 dB k Dự trữ suy hao thâm nhập 10 dB l Tổng tăng dữ trữ suy hao phụ 12 dB m = k + l Suy hao đường truyền cho phép 155 145 dB n = k - m Bảng 2.9 Quỹ đường truyền cho đường xuống Quỹ đường truyền cho đường xuống xác định suy hao đường truyền tối đa cho phép sao cho trạm thuê bao có thể thu được tín hiệu từ trạm gốc. Quỹ đường truyền cho đường lên xác định suy hao đường truyền tối đa cho phép sao cho trạm gốc có thể thu được tín hiệu từ trạm thuê bao. Giá trị suy hao đường truyền cho phép lấy giá trị nhỏ hơn của giá trị suy hao đường truyền tối đa cho phép đường lên hoặc đường xuống để đảm bảo thông tin hai chiều. Thông số Giá trị Đơn vị Công thức Thông số trạm thuê bao Công suất phát trên một phần tử anten 22 dBm a Số phần tử anten phát 1 b Tăng ích kết hợp phần tử anten 0 dB c = 10logb Tăng ích anten 8 dBi d EIRP 30 dBm e = a + c + d Thông số trạm gốc (BreezMAX BST của Alvarion) Tăng ích anten 15 dBi f Số phần tử anten thu 2 g Tăng ích kết hợp phần tử anten 3 dB h = 10logg Suy hao cáp 2 dB i Độ nhạy thu – 115 (BPSK) – 108 (QPSK) dBm j Tổng tăng ích hệ thống 161 154 dB k =e +f +h –i –j Dự trữ suy hao phụ Dự trữ nhiễu 3 dB l Dự trữ suy hao thâm nhập 10 dB m Tổng tăng dữ trữ suy hao phụ 13 dB n = l+ m Suy hao đường truyền cho phép 148 141 dB o = k - n Bảng 2.10 Quỹ đường truyền cho đường lên ► Kết quả xác định suy hao đường truyền cho phép phải lấy giá trị suy hao đường truyền cho phép theo đường lên do đường lên có giá trị suy hao đường truyền cho phép nhỏ hơn. Ta có các kết quả tính toán như sau + Ở mức điều chế thấp nhất BPSK suy hao đường truyền cho phép 148 dB + Ở mức điều chế cao nhất 64 QAM suy hao đường truyền cho phép 141 dB 2.5.2 Tính toán phạm vi phủ sóng Sử dụng mô hình tính toán suy hao SUI để tính toán phạm vi phủ sóng ứng với giá trị suy hao đường truyền cho phép đã xác định trong mục 2.4.1. ► Các tham số đầu vào + Suy hao đường truyền cho phép ứng với mức điều chế cao nhất là 141 dB + Suy hao đường truyền cho phép ứng với mức điều chế thấp nhất là 148 dB + Mô hình tính toán suy hao SUI với các tham số cho mô hình theo điều kiện khu vực nội thành Hà Nội (khu vực cần phủ sóng) ► Kết quả tính toán mô phỏng được thể hiện trong hình 2.9 Hình 2.11 Kết quả tính toán phạm vi phủ sóng Hình 2.11 thể hiện kết quả tính toán phạm vi phủ sóng. Phạm vi phủ sóng được xác định bởi giao điểm của đồ thị suy hao theo khoảng cách (sử dụng mô hình tính toán suy hao SUI điều kiện thành phố Hà Nội) với các mức suy hao cho phép. Kết quả tính toán phạm vi phủ sóng: + Với suy hao cho phép 148 dB tính được phạm vi phủ sóng tối đa 3,31 km + Với suy hao cho phép 141 dB tính được phạm vi phủ sóng tối đa 2,12 km ► Sử dụng cấu hình 3 sector/cell, sector 120o ta có kết quả mô phỏng vùng phủ sóng trong một sector, hình 2.10, đồng thời thể hiện mức điều chế cho phép đối với mỗi vùng phủ sóng. Hình 2.12 Vùng phủ sóng tối đa của một sector 120o Phạm vi phủ sóng lớn nhất cho phép với mức điều chế thấp nhất BPSK, với mức điều chế cao nhất 64QAM giới hạn vùng phủ nhỏ hơn. Phạm vi phủ sóng tối đa của một cell là 3,31 km tương ứng bán kính cell là 3,31 km, với cell lục giác diện tích của cell S = 2,6.3,312 = 28,48 (km2). Kết quả tính toán phạm vi phủ sóng + Bán kính cell (phạm vi phủ sóng tối đa của một cell) 3,31 km + Diện tích phủ sóng lớn nhất của một cell 28,48 km2 2.6 Định cỡ mạng và quy hoạch vùng phủ sóng 2.6.1 Định cỡ mạng Quá trình định cỡ mạng truy nhập vô tuyến nhằm xác định số lượng cell cần thiết để đáp ứng nhu cầu sử dụng dịch vụ (thỏa mãn các yêu cầu thông lượng). a. Các tham số đầu vào Ø Diện tích vùng phủ 42 km2 Ø Yêu cầu lưu lượng Tổng lưu lượng 551,24 Mbps Ø Diện tích phủ sóng lớn nhất của một cell theo tính toán suy hao 28,48 km2 b. Tính toán lưu lượng đáp ứng ► Sử dụng thông số trạm gốc BreezeMAX BST dành cho macro cell + Đa truy nhập TDMA, song công TDD + Điều chế OFDM FFT 256 điều chế dữ liệu BPSK tới 64QAM + Độ rộng kênh cho phép 1,75 / 3,5 / 5 / 10 MHz + Hỗ trợ các băng tần 3.5 / 5.8 GHz + Sector 60o / 90o / 120o / 180o / vô hướng + Tốc độ dữ liệu 30 Mbps trên một sector (độ rộng kênh 10 MHz) + Công suất phát 40 dBm trên một phần tử anten Với kỹ thuật MIMO trạm gốc WiMAX có thể sử dụng nhiều hơn 1 phần tử anten phát, khi đó sẽ tăng công suất phát trong một anten. + Tăng ích anten 15 dBi + Độ nhạy thu – 115 dBm (QPSK Độ nhạy thu cũng phụ thuộc vào mức điều chế dữ liệu, độ nhạy thu với mức điều chế cao yêu cầu lớn hơn với khi điều chế mức thấp ) tới – 108 dBm (QPSK) ► Quá trình tính toán lưu lượng đáp ứng + Lưu lượng dữ liệu 30 Mbps trên một sector. + Tổng lưu lượng yêu cầu 551,24 Mbps + Số sector cần 551,24/30 = 18,37 (sector), làm tròn lấy 19 sector + Số cell 19/2,6 = 7,3 (cell), làm tròn lấy 8 cell (cấu hình cell 3 sector/cell) c. Định cỡ mạng + Kết quả tính toán lưu lượng cho ta số cell cần sử dụng để đáp ứng nhu cầu sử dụng là 8 cell. + Diện tích cell 42/8 = 5,25 (km2) nhỏ hơn diện tích cell tối đa cho phép + Bán kính cell 1,42 km + Vậy số cell cần dùng là 8 cell d. Tổng hợp kết quả định cỡ mạng Thông số Giá trị Tổng số cell cần dùng 8 cell Bán kính cell 1,42 km Diện tích cell 5,25 km2 Cấu hình 3 sector/cell, sector 120o Tổng lưu lượng cấn đáp ứng 551,24 Mbps Bảng 2.11 Kết quả định cỡ mạng 2.6.2 Quy hoạch vùng phủ sóng a. Các thông số đầu vào + Tổng số cell cần dùng 8 cell + Cấu hình 3 sector/cell, sử dụng sector 120o + Bán kính cell 1,42 km + Diện tích cell 5,25 km2 + Mô hình cell ô lục giác đều + Diện tích vùng phủ sóng 42 km2 Các thông số trên là kết quả tính toán định cỡ mạng thực hiện trong mục 2.5.1 và đã đáp ứng được các yêu cầu thiết kế mạng WiMAX cố đinh & di trú cho thành phố Hà Nội. Trong phần quy hoạch vùng phủ sóng sẽ đưa ra mô hình mạng dưới dạng ô lục giác đều trên hệ trục tọa độ. Quá trình mô hình hóa mạng WiMAX cố đinh & di trú trên bản đồ sẽ được trình bày trong chương 3. b. Quy hoạch vùng phủ sóng ► Vùng phủ sóng của một sector Các thông số đầu vào + Bán kính cell (theo định cỡ mạng) 1,42 km + Bán kính phủ sóng nhỏ nhất 36 m (lấy theo khoảng cách tối thiểu cho phép từ trạm thu tới trạm gốc) + Sector 120o + Điều kiện suy hao đường truyền như nhau theo mọi hướng Hình 2.13 Vùng phủ sóng của một sector 120o Kết quả mô phỏng vùng phủ sóng của một sector 120o được thể hiện trên Hình 2.13. Kết quả mô phỏng thể hiện một cung tròn do sử dụng điều kiện suy hao như nhau theo mọi hướng. Xét với điều kiện kiến trúc hạ tầng ở nội thành Ha Nội đa phần các ngôi nhà có độ cao tương đối bằng nhau (12~15 m) và ở khá sát nhau, các tòa nhà cao tầng có số lượng nhỏ và mật độ không lớn, mặt khác các anten phát sẽ được ưu tiên đặt trên các công trình cao tầng trong quá trình thiết kế mạng, do đó suy hao đường truyền theo mọi hướng hầu như là bằng nhau. ► Vùng phủ sóng toàn bộ mạng Kết quả mô phỏng mạng được thể hiện trên Hình 2.14 dưới dạng mô hình ô lưới lục giác với các thông số: + Mô hình cell dưới dạng ô lục giác đều + Bán kính cell 1,42 km, diện tích cell 5,25 km2 + Số cell cần thiết 8 cell + Diện tích cần phủ sóng 42 km2 Giả thiết coi khu vực phủ sóng có dạng hình vuông với diện tích 42 km2 chiều dài cạnh 6,48 km. Giả thiết này nhằm đơn giản hóa quá trình mô phỏng. Số lượng cell cần thiết 10 cell sẽ được giới hạn trong hình trên. Các cell nằm ngoài khu vực phủ sóng sẽ bị loại bỏ. Trong chương 3 khi mô hình hóa mạng WiMAX trên bản đồ, mô hình cell sẽ được điều chỉnh lại sao cho phù hợp với hình dạng của vùng phủ sóng, đồng thời xác định lại vị trí các trạm gốc theo yêu cầu thiết kế. Hình 2.14 Mô hình mạng lưới cell lục giác Tổng kết chương 2 Chương 2 thể hiện toàn bộ quá trình phân tích, tính toán thiết kế mạng WiMAX cố đinh & di trú cho thành phố Hà Nội. Các kết quả thu được từ chương 2 là cơ sở để thực hiện các bước mô hình hóa mạng WiMAX cố đinh & di trú trên bản đồ thành phố Hà Nội Tổng hợp các kết quả tính toán thiết kế mạng Thông số đầu vào Giá trị Diện tích cần phủ sóng 42 km2 Điều kiện địa hình, kiến trúc Mục 2.2.2 c Lưu lượng yêu cầu 551,24 Mbps Tiêu chuẩn chất lượng mạng Mức tiêu chuẩn (bảng 2.3) Kết quả Giá trị Thiết bị trạm gốc BreezeMAX BST của Alvarion Thiết bị cố đinh & di trú Giá trị tiêu chuẩn Mô hình tính toán suy hao SUI Số cell cần thiết 8 cell Bán kính cell 1,42 km Diện tích cell 5,25 km2 Lưu lượng cho phép 720 Mbps Cấu hình 3 sector/cell, cell 120o Mô hình mạng lưới cell Mạng lưới cell ô lục giác đều Bảng 2.12 Tổng hợp kết quả tính toán thiết kế mạng CHƯƠNG 3. MÔ HÌNH HÓA MẠNG WiMAX CỐ ĐỊNH ________________________________________________________________________ Quá trình mô hình mạng WiMAX cố đinh & di trú trên bản đồ phục vụ việc việc quy hoạch mạng, xác định vị trí các cell và vùng phủ của từng cell trên bản đồ, xác định các vị trí có thể đặt trạm gốc. 3.1 Các tham số đầu vào ► Kết quả định cỡ mạng Thông số Giá trị Tổng số cell cần dùng 8 cell Bán kính cell 1,42 km Diện tích cell 5,25 km2 Phạm vi phủ sóng lớn nhất của một cell (Theo tính toán quỹ đường truyền) 3,31 km Cấu hình 3 sector/cell, sector 120o Mẫu tái sử dụng tần số (1, 1, 3) ► Bản đồ khu vực cần phủ sóng trên bản đồ địa lý Hình 2.4 ► Bản đồ kiến trúc ha tầng, ảnh chụp từ vệ tinh Hình 2.3 ► Mô hình mạng dưới dạng mạng lưới ô lục giác, hình 2.15 Quá trình mô hình hóa mạng WiMAX cố đinh & di trú đưa mô hình mạng vào khu vực cần phủ sóng trên bản đồ địa lý để hiệu chỉnh lại các cell sao cho tổng diện tích phủ sóng của các cell che phủ hết khu vực cần phủ sóng. Sau đó mô hình cell đã hiệu chỉnh sẽ được đưa sang bản đồ kiến trúc hạ tầng (ảnh chụp từ vệ tinh) để xác định các vị trí đặt trạm gốc. 3.2 Mô hình hóa mạng WiMAX cố đinh & di trú trên bản đồ 3.2.1 Mô hình mạng trên bản đồ địa lý Hình 3.1 Mô hình mạng trên bản đồ địa lý (chưa hiệu chỉnh) Hình 3.1 mô tả mô hình mạng WiMAX cố đinh & di trú trên bản đồ địa lý (chưa hiệu chỉnh). Mô hình mạng được đặt lên bản đồ là kết quả mô phỏng vùng phủ sóng với quy ước vùng phủ sóng có dạng hình vuông và mô hình mạng ô lục giác đều. Số cell được xác định trên lý thuyết là 8 cell. Trên bản đồ địa lý vùng cần phủ sóng thực tế có hình dạng phức tạp nên mô hình mạng lý thuyết không thể phủ kín hết toàn bộ, có những phần không được phủ sóng do vùng phủ của một số cell rơi ra ngoài giới hạn vùng cần phủ sóng. Chính vì vậy cần có bước hiệu chỉnh lại mô hình mạng để đảm bảo phủ sóng hết toàn bộ khu vực cần phủ sóng. Để có thể thực hiện yêu cầu trên, trong quá trình hiệu chỉnh các cell có thể thay đổi dạng ô lục giác và thêm một vài cell 60o, 90o, 120o, 180o để phủ sóng những chỗ có hình dạng phức tạp mà việc sử dụng cell 360o không thích hợp. Quá trình chỉnh lại các cell được thực hiện như sau Ø Xác định giới hạn vùng phủ tối đa của một cell dưới dạng hình tròn ngoại tiếp ô lục giác có bán kính bằng bán kính phủ sóng cực đại của cell là 1,42 km. Ø Đặt các hình tròn vào vị trí các ô lục giác trong mô hình lưới ô lục giác cũ sau đó hiệu chỉnh vị trí các hình tròn sao cho biên của các hình tròn giao nhau và diện tích các hình tròn bao phủ toàn bộ diện tích cần phủ sóng. Kết quả trên hình 3.2 a (3.2 a) Điều kiện biên của các hình tròn giao nhau trên nhằm đảm bảo điều kiện chuyển giao mềm. Nếu biên của các hình tròn không giao nhau thì tại lề cell sẽ không tồn tại cùng lúc sóng của cả hai cell kề nhau, như vậy không thể chuyển giao mềm được. Điều kiện diện tích các hình tròn bao phủ toàn bộ diện tích cần phủ sóng để thỏa mãn yêu cầu phủ sóng. Hình 3.2 Mô hình mạng trên bản đồ địa lý (đã hiệu chỉnh) Từ vị trí các hình tròn và các điểm giao nhau ta xác định lại ranh giới và phạm vi phủ sóng tương ứng của từng cell như trên hình 3.2 b. Ø Các cell thỏa mãn điều kiện về phạm vi phủ sóng tối đa do các cell đều nằm trong đường tròn bán kính 1,42 km bằng phạm vi phủ sóng tối đa của một cell (theo kết quả định cỡ mạng). Ngoài ra phạm vi phủ sóng tối đa cho phép của một cell theo tính toán quỹ đường truyền là 3,31 km và trong điều kiện không bị chắn bởi các toàn nhà là 7 km. Tổng diện tích phủ sóng của tất cả các cell phủ kín toàn bộ khu vực cần phủ sóng. Ø Số lượng cell được xác định 11 cell. Ø Vị trí đặt trạm gốc sẽ nằm tại các vị trí đã đánh dấu. 3.2.2 Mô hình mạng trên bản đồ kiến trúc Hình 3.3 Mô hình mạng WiMAX trên bản đồ kiến trúc Hình 3.3 thể hiện mô hình mạng WiMAX cố đinh & di trú trên bản đồ kiến trúc thành phố Hà Nội chụp từ vệ tinh. Mô hình mạng WiMAX cố đinh & di trú trên bản đồ kiến trúc được chuyển sang từ mô hình mạng WiMAX cố đinh & di trú trên bản đồ địa lý. Mô hình mạng WiMAX cố đinh & di trú trên bản đồ kiến trúc là cơ sở để xác định vị trí chính xác của trạm gốc. Vị trí chính xác của trạm gốc được xác định trong từng cell thông qua bản đồ chi tiết cho từng cell. Trong khuôn khổ đồ án thiết kế này sẽ xác định vị trí chính xác trạm gốc của một cell, mục đích để minh họa. Vị trí các trạm gốc khác được xác định hoàn toàn tương tự. Các trạm gốc được kết nối với mạng Internet thông qua đường cáp quang hoặc sử dụng mạng đường trục WiMAX (WiMAX backhaul). Khả năng lựa chọn kết nối thông qua mạng đường trục WiMAX cho hiệu quả cao hơn. Mạng đường trục WiMAX là một trong các mô hình ứng dụng WiMAX cố đinh & di trú , sử dụng một (hoặc nhiều) trạm chuyển tiếp lưu lượng được kết nối với đường cáp quang 1 Gbps, cung cấp tải lưu lượng đến các trạm gốc WiMAX thông qua các kết nối điểm điểm, đường truyền LOS. Hình 3.4 Mô hình mạng đường trục (backhaul) Hình 3.4 mô tả mô hình mạng đường trục. Trạm chuyển tiếp sử dụng cột anten đặt cao khoảng 80 ~ 100 m, các anten có độ định hướng cao phát về phía các trạm gốc WiMAX (công nghệ phát sóng dạng chùm), tần số sử dụng từ 10 GHz tới 60 GHz. Trạm chuyển tiếp kết nối với mạng Internet qua tuyến cáp quang 1 Gbps và kết nối với đường PSTN thông qua các đường T1/E1. Với độ cao antan trạm chuyển tiếp > 80 m, độ cao anten trạm gốc WiMAX cố đinh & di trú 60 m có thể đảm bảo điều kiện truyền sóng LOS trong điều kiện kiến trúc thành phố Hà Nội. Việc sử dụng mạng đường trục làm giảm bớt thời gian triển khai mạng và chi phí kéo dây, lắp cáp đến từng trạm gốc WiMAX cố đinh & di trú, đây chính là một điểm mạnh khi triển khai mạng WiMAX cố đinh & di trú. 3.3 Mô hình chi tiết cho một cell ► Các tham số đầu vào + Vùng phủ sóng của cell 10, + Cấu hình cell 120o, sử dụng 1 sector 120o + Khu vực phủ sóng tại quận Hoàn Kiếm Hình 3.5 Chi tiết vùng phủ sóng cell 10 ► Kết quả + Bản đồ chi tiết vùng phủ sóng của cell 10 thể hiện trong hình 3.5, thước tỉ lệ 800m 3.4 Xác định vị trí đặt trạm gốc Sử dụng bản đồ chi tiết khu vực vị trí trạm gốc cell 10 với thước tỉ lệ 300 m (đạt được độ chi tiết tối đa với bản đồ GoogleEarth, để có độ chi tiết cao hơn cần sử dụng ảnh chụp từ máy bay). Với độ chi tiết của bản đồ ở mức này có thể xác định chính xác các vị trí cho phép đặt trạm gốc. Hình 3.6 Vị trí đặt trạm gốc cell 10 ► Kết quả xác định vị trí trạm gốc + Các vị trí đặt trạm gốc được xác định trong phạm vi 100 m + Vị trí nhà cao nhất được xác định trên bản đồ + Vị trí nhà cao nhất là vị trí lý tưởng nhất để đặt cột anten trạm gốc. + Trong trường hợp không đặt được trạm gốc tại vị trí nhà cao nhất có thể đặt ở các tòa nhà thấp hơn nhưng yêu cầu anten đặt cao hơn. Tổng kết chương 3 Chương 3 thực hiện quá trình mô hình hóa mạng WiMAX cố đinh & di trú trên bản đồ địa lý và bản đồ kiến trúc. Kết quả mô hình hóa cho ta mô hình mạng chính xác với vùng phủ sóng thực. Các kết quả đạt được Ø Số cell cần dùng 11 cell Ø Tổng diện tích phủ sóng 42 km2, phủ kín toàn bộ khu vực cần phủ sóng Ø Cấu hình cell + Các cell 2, 3, 4, 5, 7, 9, 10 sử dụng cấu hình cell 360o, 3 sector/cell, cell 120o. + Cell 11 có cấu hình cell 120o, sử dụng 1 sector 120o. + Cell 1, 6 có cấu hình cell 180o, sử dụng 1 sector 180o + Cell 8 có cấu hình cell 90o, sử dụng 1 sector 90o Ø Mô hình chi tiết vùng phủ sóng một cell, sử dụng cell 10 Ø Xác định vị trí có thể đặt trạm gốc cell 10 và vị trí đặt trạm tốt nhất CHƯƠNG 4. CÁC CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG ___________________________________________________________________ 4.1 Chương trình tính toán suy hao 4.1.1 Tính toán suy hao theo mô hình COST 231 Hata ► Giao diện chương trình Hình 4.1 Chương trình tính toán suy hao theo mô hình COST 231 Hata Hình 4.1 là giao diện chương trình tính toán suy hao sử dụng mô hình tính toán suy hao COST 231 Hata. ► Thông số đầu vào + Tần số: 1500 ~ 2500 MHz + Độ cao anten trạm gốc BS: 30 m < hb < 100 m + Độ cao anten trạm di động MS: 1 m < hm < 10 m + Hệ số hiệu chỉnh vùng: 0 dB với thành phố cỡ trung bình hoặc trung tâm ngoại ô 3 dB với trung tâm đô thị ► Kết quả + Đồ thị suy hao theo khoảng cách + Sử dụng trong mục 2.4.1 tính toán suy hao đường truyền, kết quả mô phỏng thể hiện trong Hình 2.7 4.1.2 Tính toán suy hao theo mô hình COST 231 Walfish-Ikegami ► Giao diện chương trình Hình 4.2 Chương trình tính toán suy hao theo mô hình COST 231 W-I Hình 4.2 là giao diện chương trình tính toán suy hao sử dụng mô hình tính toán suy hao COST 231 Walfish-Ikegami . ► Thông số đầu vào + Tần số 1500 ~ 2500 MHz + Độ cao anten trạm gốc 32 m < hb < 50 m + Độ cao anten trạm di động 1 m < hm < 3 m + Độ cao tòa nhà (không giới hạn) + Khoảng cách toà nhà 10 m < b < 50 m + Độ rộng đường phố 10 m < w < 40 m ► Kết quả + Đồ thị suy hao theo khoảng cách + Sử dụng trong mục 2.4.1 tính toán suy hao đường truyền, kết quả mô phỏng thể hiện trong hình 2.9 và 2.11 ► Giao diện chương trình Hình 4.3 Chương trình tính toán suy hao theo mô hình SUI Hình 4.2 là giao diện chương trình tính toán suy hao sử dụng mô hình tính toán suy hao SUI . ► Thông số đầu vào + Tần số 3500 MHz + Độ cao anten trạm gốc 60 m + Độ cao anten trạm thuê bao 2 m + Loại vùng C ► Kết quả + Đồ thị suy hao theo khoảng cách + Sử dụng trong mục 2.4.1 tính toán suy hao đường truyền, kết quả mô phỏng thể hiện trong Hình 2.10 4.2 Chương trình tính toán phạm vi phủ sóng ► Giao diện chương trình Hình 4.4 Chương trình tính toán phạm vi phủ sóng Hình 4.2 là giao diện chương trình tính toán phạm vi phủ sóng. Chương trình lấy thông số đầu vào là các thông số thiết bị và dự trữ suy hao để tính toán quỹ đường truyền, sau đó sử mô hình tính toán suy hao SUI để xác định phạm vi phủ sóng tối đa theo kết quả tính toán quỹ đường truyền. ► Thông số đầu vào + Lựa chọn trạm gốc + Lựa chọn thiết bị cố đinh & di trú + Xác định các mức dự trữ suy hao theo yêu cầu thiết kế và điều kiện truyền sóng ► Kết quả + Tự động tính toán quỹ đường truyền theo quy trình mô tả trong bảng 2.9 và 2.10 + Sử dụng mô hình tính toán suy hao SUI với các thông số của mô hình theo điều kiện thành phố Hà Nội + Từ kết quả tính toán quỹ đường truyền xác định suy hao tối đa cho phép, sử dụng mô hình tính toán suy hao để xác định phạm vi phủ sóng tối đa tương ứng + Chương trình được sử dụng trong mục 2.5.2, hình 2.11 và 2.13 4.3 Chương trình tính toán định cỡ và mô phỏng mạng ► Giao diện chương trình Hình 4.5 Chương trình tính toán định cỡ và mô phỏng Hình 4.4 là giao diện chương trình tính toán định cỡ và mô phỏng mạng. Chương trình lấy thông số đầu vào là các giá trị lưu lượng dịch vụ yêu cầu, diện tích vùng phủ sóng, lưu lượng tối đa của một sector và bán kính phủ sóng tối đa. Bán kính phủ sóng tối đa cho phép xác định diện tích phủ sóng tối đa của một cell theo tính toán phạm vi phủ sóng. Chương trình sẽ dựa vào yêu cầu lưu lượng và lưu lượng tối đa của một sector để xác định số sector tối thiểu cần thiết, sau đó tính số cell theo cấu hình 3 sector/cell và xác định diện tích của cell tính được. Nếu diện tích của cell tính được nhỏ hơn diện tích phủ sóng tối đa của một cell thì cell đó thỏa mãn yêu cầu. Nếu diện tích của cell tính được lớn hơn diện tích phủ sóng tối đa của một cell thì cell không thỏa mãn yêu cầu và phải lấy cell theo tính toán phạm vi phủ sóng. Kết quả tính toán được đưa ra là số cell cần thiết và diện tích cell. Trên hình vẽ thể hiện mô hình cell và giới hạn vùng phủ lý thuyết (dạng hình vuông). ► Thông số đầu vào + Lưu lượng dịch vụ dữ liệu + Diện tích vùng phủ + Lưu lượng sector (tối đa) + Bán kính phủ sóng tối đa, theo tính toán phạm vi phủ sóng mục + Sử dụng cấu hình trạm gốc WiMAX cố đinh & di trú ► Kết quả + Tính ra số lượng cell cần thiết + Diện tích cell + Vẽ mô hình mạng dạng ô lưới lục giác đều + Chương trình được sử dụng trong mục 2.6.2, Hình 2.14 Các quá trình thực hiện mô hình hóa mạng trên bản đồ thực hiện thủ công do chưa có phần mềm mô phỏng. Để có thể thực hiện phần mềm mô phỏng cần có bản đồ số khu vực Hà Nội gồm các lớp địa hình và lớp kiến trúc nhà (mô hình 3-D) để từ đó xác định thêm lớp mô hình cell và lớp vị trí trạm gốc. Tuy nhiên phần lập trình này rất phức tạp, nếu có điều kiện em sẽ thực hiện sau. KẾT LUẬN Đồ án thiết kế đã hoàn thành các bước tính toán thiết kế mạng WiMAX theo các yêu cầu thiết kế mạng cho thành phố Hà Nội. Kết quả đạt được bao gồm mô hình mạng lý thuyết (mô hình lưới ô lục giác), xác định được tổng số cell cần thiết để đáp ứng nhu cầu sử dụng và các kết quả mô hình hóa mạng trên vùng phủ sóng thực thể hiện trên bản đồ. Kết quả mô hình hóa đã xác định được số lượng, vị trí và giới hạn các cell trên vùng phủ sóng thực đồng thời chỉ ra các vị trí có thể đặt trạm gốc, có mô tả chi tiết cho một cell. Các kết quả đạt được của đồ án là cơ sở ban đầu để thực hiện việc xây dựng một mạng WiMAX cố đinh & di trú trên thực tế. Hướng phát triển của đồ án tập trung nghiên cứu sâu hơn vào các công nghệ sử dụng cho WiMAX cố đinh & di trú, các quá trình phân tích tính toán suy hao tín hiệu, xây dựng phần mạng lõi, phát triển dịch vụ mới và thiết kế được một chương trình mô phỏng thực hiện được toàn bộ quá trình phân tích tính toán trên. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Lý thuyết và ứng dụng của kỹ thuật OFDM, TS.Nguyễn Văn Đức [2] Tạp chí bưu chính viễn thông và công nghệ thông tin, Bộ bưu chính viễn thông [3] “Can WiMAX Address Your Applications?”, WiMAX Forum, 2006 [4] “Mobile WiMAX – Part I:A Technical Overview and Performance Evaluation”, WiMAX Forum, August 2006 [5] “Mobile WiMAX Usage Scenarios”, WiMAX Forum, 2006 [6] “WiMAX End-to-End Network Systems Architecture - Stage 2: Architecture Tenets, Reference Model and Reference Points”, WiMAX Forum, 2005. [7] Andriy Luntovskyy, Dietbert Gütter, Alexander Schill, Ulrich Winkler, “DESIGN PARTICULARITIES FOR WIRELESS NETWORKS”, Dresden University of Technology. [8] G. Nair, J. Chou, T. Madejski, K. Perycz, P. Putzolu and J. Sydir “IEEE 802.16 Medium Access Control and Service Provisioning”, Intel Technology Journal, vol 08, August 2004. [9] Hassan Yagoobi, “Scalable OFDMA Physical Layer in IEEE 802.16 WirelessMAN”, Intel Technology Journal, Vol 08, August 2004. [10] John Wiley and Sons “The Business of WiMAX”, Jun 2006 [11] “Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access Systems” IEEE STD 802.16 – 2004, October, 2004. [12] “Air Interface for Fixed and Mobile Broadband Wireless Access Systems” IEEE P802.16e/D12,February, 2005. [13] Các hãng sản xuất thiết bị WiMAX: Airspan, Alvarion, SR-Telecom, Telsima [14] [15]