Đánh giá tác động của hệ thống GSM đến thiết bị hỗ trợ nghe đối với Tương thích điện từ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG  & œ TIỂU LUẬN MÔN HỌC TƯƠNG THÍCH ĐIỆN TỪ Đề tài: ĐÁNH GIÁ TÁC ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG GSM ĐẾN THIẾT BỊ HỖ TRỢ NGHE TRONG KHU VỰC ĐÔ THỊ Thầy giáo hướng dẫn: TS. TĂNG TẤN CHIẾN Người thực hiện : CAO VĂN TUẤN Lớp : CH.2005-2008 Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ Đà Nẵng, 11/2007 MỤC LỤC 1. Giới thiệu chung 2. Các điều kiện, giả thiết ban đầu Tóm tắt (Abstract) Công nghệ GSM đã ra đời từ những năm 1988 tại Châu Âu và đến nay đã trở thành một trong những tiêu chuẩn phổ biến nhất cho thông tin di động trên phạm vi toàn cầu. Hiện nay đã có trên 3 tỷ thuê bao di động GSM trên toàn thế giới. Để có thể phát triển như hiện nay, các công ty chế tạo thiết bị đã nghiên cứu và sản xuất các thiết bị di động, bao gồm cả hệ thống mạng và máy đầu cuối, hoạt động an toàn trong môi trường, ít gây ảnh hưởng đến sức khỏe của con người cũng như sự hoạt động bình thường của các thiết bị khác. Trong phạm vi tiểu luận này xin trình bày phác họa về khả năng gây nhiễu từ hệ thống trạm thu phát vô tuyến, máy di động đầu cuối GSM đến thiết bị nghe cá nhân thông qua việc mô tả và tính toán phạm vi gây nhiễu trong các bối cảnh xảy ra của đời sống thường nhật tại thành phố London và các địa bàn phụ cận. 1. Thông tin chung Để có được kết quả kiểm tra toàn diện về tác động của các bộ phát GSM đến thiết bị trợ thính (hearing aid) cần các kết quả trong phòng thí nghiệm về tác động lên người sử dụng thiết bị đó (hearing aid user). Các kết quả trong phòng thí nghiệm cho thấy người nghe sẽ cảm nhận được tác động của nhiễu khi cường độ trường tại một số hướng lên đến 4V/m. Một ô phủ sóng di động (sau đây gọi là cell) điển hình ở khu vực đô thị được đặc tính hóa bằng cách sử dụng quỹ tín hiệu đường truyền (link budget) và một số điều kiện cho trước khác. Một số các điều kiện cho trước quan trọng được liệt kê trong phần tiếp theo của tiểu luận này kèm theo các điều kiện riêng lẻ trong từng bối cảnh khi xem xét đánh giá. Sau khi có được các đặc tính của cell, chúng ta sẽ chọn ra các bối cảnh (scenarios) trong đó người dùng thiết bị nghe sẽ gặp phải tác động của thiết bị phát sóng GSM. Tại mỗi trường hợp, sẽ có kết luận về mức tác động lớn nhất và đáng kể nhất của nhiễu. Từ những trường hợp riêng lẻ đã xét ở trên, chúng ta tiến hành tổng hợp để xây dựng các bối cảnh gần sát với thực tế cuộc sống hàng ngày hơn, với đặc trưng của đô thị như London, chúng ta xây dựng 4 bối cảnh tổng hợp để xem xét tác động của máy phát sóng GSM đến người dùng thiết bị trợ thính (hearing aid user). 2. Các giả thiết, điều kiện ban đầu : Để tiến hành thực nghiệm và tính toán, cần có một số điều kiện cho trước, cụ thể như sau : Một trạm gốc thu phát sóng di động GSM (sau đây gọi là BTS) tại trung tâm thành phố có có bán kính phủ sóng 2km, công suất phát của trạm ở mức 4 (40W). Tất cả các cell hoạt động ở mức 50% dung lượng Các bộ thu phát gắn trên xe có khả năng điều khiển công suất để đảm bảo tỷ lệ lỗi bit BER ở đường phát lên (up link) là 10-2. Máy di động gắn trên phương tiện vận tải có công suất ở mức 2 (8W), và máy di động cầm tay có công suất ở mức 4 (2W), độ lợi của anten là 0 dBi. Số lượng các thuê bao di động nghiên cứu xem như được phân bố đều thành 2 loại : máy gắn trên xe và máy mang theo người. Số lượng người sử dụng là phân bố đều trong vùng phủ sóng của trạm BTS. Các bộ thu phát gắn trên xe được đặt trên 3 vòng tròn đồng tâm trong cell và được phân bố theo tỷ lệ của khoảng cách từ các bộ thu phát đến trạm gốc. Số lượng thiết bị trợ thính (hearing aids) sử dụng tại vương quốc Anh là khoảng 1.5 triệu, ước tính vào khoảng 2.5% dân số. Độ dài đàm thoại trung bình của mỗi cuộc gọi là 2 phút. 3. Đặc tính cell: 3.1 Quỹ đường truyền RF. Quỹ đường truyền được dựa trên Khuyến nghị GSM 03.30 của ETSI, như sau : Độ nhạy đầu vào Rx RF = NF (dB) + Ec/No (dB) + W – kT tại BS với BER 10-2 (dBm) Với nhiễu nhiệt (thermal noise) kT = -174 dBm/Hz tại T = 290oK tốc độ bit (bit rate) W = 10 log 270.833 kbps Tham số nhiễu (noise figure) NF = 8 dB Tỷ lệ tín hiệu/nhiễu Ec/No = 8 dB Vì vậy, độ nhạy đầu vào Rx RF tại trạm gốc = -104 dBm. Công suất đẳng hướng = Độ nhạy Rx + Biên nhiễu + suy hao cáp - Độ lợi anten Với Biên nhiễu = 3 dB Suy hao cáp = 4 dB Độ lợi anten = 12 dBi Vì vậy, công suất đẳng hướng = -109 dBm Tính đến suy hao phẳng (lognormal) (5dB) và dự trữ fading Rayleigh (10dB) thì mức tín hiệu tối thiểu được tạo ra cho 10-2 BER = -94 dBm. 3.2 Công suất phát MS tối thiểu Công suất cần phát ra từ trạm di động để duy trì 10-2 BER đường lên có thể xác định được theo đặc tính tổn hao đường truyền. Xét một Cell điển hình ở trung tâm London có bán kính 2 km và có BS đặt cao 2m trên mái nhà của một tòa nhà cao tầng, nằm giữa khu vực thành thị đông đúc và có cùng chiều cao so với chung quanh (60m). Với anten thu có chiều cao 2m và tần số 900 Mhz, tổn hao đường truyền có thể tính được từ phương trình (3.25) trong Ref.7 Lpath = 69.55 + 26.16 log f – 13.82 log ht – A(hτ) + (44.9 - 6.55loght)log dpath (dB) Với f : tần số đơn vị tính MHz (900) ht : chiều cao anten phát (62m) dpath: khoảng cách từ BS (km) và từ phương trình (3.27) trong Ref.7 ta có: A(hr) = 3.2 (log(11.75 hτ))2 – 4.97 (dB) hr : chiều cao anten thu (2m) Phương trình trên đơn giản thành Lpath = 121 + 33 log dpath (dB) Như vậy, một cell có thể được biểu thị bằng một vùng chắn (intercept) 1 km độ lợi 121 dB và tổn hao đường truyền có độ dốc γ=3.3. Theo đó, công suất phát tối thiểu cần thiết từ MS để duy trì BER=10-2 sẽ là: 121 – 94 = 27 dBm (500 mW) với dpath = 1 km 27 + 33 log 1.5 = 32.8 dBm (1.9 W) với dpath = 1.5 km 27 + 33 log 2 = 36.9 dBm (4.9 W) với dpath = 2 km Những công suất trên là công suất bức xạ hiệu dụng (ERP) của MS. 3.3 Vùng ảnh hưởng Phương trình tính khoảng cách nhiễu (interfering distance), dist S = và S = Với S = mật độ công suất phát G = độ lợi anten E = cường độ trường Do đó, = Tuy nhiên, từ việc tính tổn hao đường truyền dẫn đến kết quả công suất phát hiệu dụng ERP từ trạm di động nên ta có thể bỏ qua thông số độ lợi anten (G), nghĩa là G=1. A1 A2 1.875 Pt 0.3 Pt Qua các thí nghiệm về nhiễu (interference) [Ref.5], người ta thấy rằng, mức nhiễu của hỗ trợ nghe (hearing aid susceptibility) trên thực tế là 4 V/m với cung 90o và 10 V/m với 270o còn lại như Hình 1. Hình 1. Gọi bán kính nhiễu ở 4 V/m là d4 và ở 10 V/m là d10 thì = = 1.875 Pt và = = 0.3 Pt như Hình 1. Do đó A1 = = 1.47Pt và A2 = = 0.71Pt Vì vậy Atổng = A1 + A2 = 2.18 Pt (Phương trình 1 – Eq. 1) Hệ thống GSM có thể hoạt động với 3 site cơ sở (base site) trên mỗi cluster, và vì vậy, ngay cả khi thực hiện phân chia thành các sector (sectorization), toàn bộ quá trình cấp phát phổ sẽ được sử dụng lặp đi lặp lại bởi các nhóm site cơ sở này. Người ta xem như mỗi site cơ sở (BS) sẽ phủ một vùng hình tròn có bán kính 2km. Hệ thống GSM bắt đầu năm 1991 với việc cấp phát phổ kép (initial duplex spectrum allocation) 5MHz cho mỗi operator trên các băng tần TACS hiện tại. Điều này cho phép có 25 sóng mang 200 kHz, vì vậy sẽ có 25/3= 8 sóng mang cho một BS và 8 x 8 khe thời gian = 64 kênh vật lý trên một BS với mỗi nhà khai thác (operator) Giả sử rằng, không có nhiều hơn 8 khe thời gian rỗi cho việc truyền thông tin (traffic), thì 56 kênh vật lý sẽ cho phép duy trì tối đa 112 thuê bao. Do sự phát triển của hệ thống GSM, sự cấp phát TACS hiện tại sẽ được dần dần chuyển giao cho đến khi GSM chiếm toàn bộ 25MHz cấp phát cell. Mỗi operator vì thế sẽ có 12.5MHz hay 62 sóng mang 200kHz và vì vậy 62/3=21 sóng mang trên mỗi site cơ sở. Số sóng mang này cho phép có 21 x 8 = 168 kênh vật lý và vì vậy có 160 kênh dùng để truyền thông tin trên mỗi operator và tổng cộng là 320 kênh. 3.5 Xác suất tổng quát (overall probability) Người ta thấy rằng, cách tính toán gần đúng khá tốt đối với sự phân bố đều MS (máy di động) có thể đạt được bằng cách coi như các bộ phát được đặt trên ba hình tròn đồng tâm và phân bố theo tỉ lệ khoảng cách từ BS đến chúng, vì với 2 vòng tròn thì kết quả không chính xác, còn với 4 vòng thì kết quả ít thay đổi so với 3 vòng. Sử dụng cấp phát phổ 10MHz với toàn bộ dung lượng cell dẫn đến kết quả dưới đây: 112 x = 25 MS tại 1 km 112 x = 37 MS tại 1.5 km 112 x = 50 MS tại 2 km Diện tích bị ảnh hưởng xung quanh mỗi bộ phát từ phương trình 1 (Eq.1) là: 2.18 x 0.5 = 1.1 m2 2.18 x 1.9 = 4.1 m2 2.18 x 4.9 = 10.7 m2 Tổng diện tích chịu ảnh hưởng từ MS là: 25 x 1.1 + 37 x 4.1 + 50 x 10.7 = 714.2 m2. Giả sử BS có công suất mức 4 - power class 4 - (40W), thì theo phương trình 1, sẽ có thêm một diện tích 87.2m2 chung quanh BS bị ảnh hưởng nên tổng diện tích bị ảnh hưởng lên đến 801.4m2. Vì diện tích của một cell bán kính 2 km là (2000)2 = 1.26x107m2, nên tỉ lệ phần trăm diện tích bị ảnh hưởng là = 0.0064% Thay thế các số liệu cho hệ thống sử dụng toàn bộ tải 25 MHz thì tổng diện tích bị ảnh hưởng là 2123.4 m2 hay 0.017%. 4. Các tình huống - Scenarios 4.1 Máy di động gắn trên xe 4.1.1 Xe và người đi bộ Một máy đầu cuối (MS) tại biên của cell bán kính 2 km đang phát với công suất 4.9W làm cho diện tích bị ảnh hưởng tăng lên 10.7 m2, tương đương với 1 vùng bị nhiễu có bán kính 1.8m. Giả sử khoảng cách giữa người đi trên vỉa hè và xe đi trên đường là 4m, người sử dụng thiết bị hỗ trợ nghe (the hearing aid user) sẽ không chịu nhiễu từ bộ phát. Ngay cả khi thiết bị hỗ trợ hướng phía nhạy cảm nhất (susceptibility) về phía đường, thì khoảng cách đến ô tô phải gần hơn 3m thì mới bị nhiễu. Người đi bộ trên vỉa hè không chắc sẽ bị nhiễu từ các xe trên đường. 4.1.2 Tàu hỏa Nếu coi như anten trên nóc tàu gây ra suy hao 10 dB trong toa, thì một điện thoại công cộng (pay phone) GSM trên tàu có công suất mức 1 (20W) sẽ có bán kính ảnh hưởng trên tàu tương đương với một bộ phát 2W. Giả sử bộ phát được đặt giữa tàu, từ phương trình 1 ta thấy rằng 1.2m hay 1.2% của tàu bị ảnh hưởng. Giả sử người được phân bố đều trên tàu thì xác suất chịu ảnh hưởng nhiễu là 0.012. Nên chú ý rằng, nhiều khảo sát cho thấy máy nghe băng cá nhân (tape player) cũng dễ ảnh hưởng tương đương đến đường truyền AM, và có khả năng có nhiều thiết bị như vậy trên tàu (commuter train). Xác suất của nhiễu từ một pay phone trên tàu là 0.012. 4.2 Các loại trạm phát gốc 4.2.1 BS đặt vị trí thấp Nếu giả sử BS có công suất mức 4 (40W), thì diện tích ảnh hưởng sẽ là 942m2, theo phương trình 1. Giả sử người được phân bố đều trong một cell thì xác suất bị nhiễu của người dùng thiết bị hỗ trợ nghe (hearing aid user) sẽ là 942/1.26x107= 7.5 x 10-5, với diện tích của cell bán kính 2 km là 12.6 km2. Xác suất của nhiễu từ một base site khi đi trên vỉa hè là không đáng kể. Nhiễu này được giảm thêm nữa vì BS thường được đặt trên trên đỉnh của các tòa nhà chứ không phải ở dưới mặt đất. 4.2.2 BS đặt vị trí cao. Nhiều GSM BS được đặt trên đỉnh của các tòa nhà cao tầng, có thể là các tòa nhà văn phòng có mật độ người tập trung cao. Giả sử kích thước một khối văn phòng điển hình là 60 x 15 x 15m, và anten BS được gắn cao 10m trên tầng cao nhất thì bức xạ từ búp sóng chính với góc lớn hơn 60o sẽ xuyên vào tòa nhà, giả sử anten không bị xoay nghiêng để thay đổi vùng phủ. Mô hình bức xạ thẳng đứng từ anten BS được sector hóa điển hình cho thấy bức xạ tại góc 60o hoặc hơn từ búp sóng chính bị khử nhiễu trong khoảng từ 20 dB đến 50 dB, và vì vậy, giả sử có một suy hao 10 dB [Ref.6] vào tòa nhà và thêm 5 dB từ mái nhà (không cửa sổ) gây ra suy hao nhỏ nhất là 35 dB. Giả sử bộ phát có công suất mức 1 (320W) 55 dBm, thì tương tự như tình huống có một đường truyền 55-35=20 dBm (100mW) vào không gian trống. Điều này tương đương với bán kính nhiễu là 0.26 m tại góc 60o từ búp sóng chính và 0.8 cm (suy hao 65 dB) theo phương thẳng đứng, từ phương trình 1. Do đó không chắc người dùng thiết bị hỗ trợ nghe trong khối văn phòng ngay bên dưới GSM BS sẽ chịu bất cứ nhiễu nào, thậm chí cả khi họ đang đứng tại đỉnh của tòa nhà và BS có công suất mức 1. 4.2.3 Vùng phủ sóng của tòa nhà. Suy hao hướng vào một tòa nhà là 10dB [Ref.6] và do đó bán kính nhiễu từ BS có công suất mức 4 (40 W) vào tòa nhà sẽ tương đương với từ bộ phát 4 W vào một vùng trống. Điều này dẫn đến bất cứ tòa nhà nào trong bán kính 1.7m tính từ BS sẽ có đủ cường độ trường ở bên trong làm tăng nhiễu đến người dùng thiết bị hỗ trợ nghe. Vì khoảng cách này là không thực tế, nên gần như không có khả năng BS sẽ gây ra nhiễu đến các tòa nhà bên cạnh. 4.3 Các thiết bị cầm tay và thiết bị trên các phương tiện giao thông. 4.3.1 Nhà ga: Những bộ phát GSM cầm tay có thể có công suất mức 4, và do đó sẽ có công suất tối đa là 2W. Điều này làm tăng diện tích ảnh hưởng lên 4.4m2 cho mỗi bộ phát, giả sử không có độ lợi anten trong các thiết bị cầm tay, theo phương trình 1. Với diện tích của một đường tàu là 100m x 10m = 1000 m2 và số đường tàu là 10 thì tổng diện tích đường tàu là 10 000 m2. Nếu mỗi tàu có 10 toa, mỗi toa chở 100 hành khách, và tất cả tàu đều đến ga đồng thời vào giờ cao điểm thì sẽ có 1000 x 10 = 10 000 người đến ga cùng lúc trong diện tích 10 000m2, tương đương với 1 người/1m2. Dân số của London xấp xỉ 7 triệu dân trong một diện tích 1580km2 và từ việc phân tích giao thông, người ta thấy rằng con số này sẽ tăng lên đến gần 10 triệu trong giờ làm việc. Giả sử ga nằm trong cell bán kính 2 km, diện tích 12.6km2 và dân số London được phân bố đều trong 1580km2, thì 10 x 106 x = 80 000 người trong một cell. Vì có 10 000 người trong ga suốt giờ cao điểm (1/8 tổng số người trong cell), giả sử tải của cell là 50% và 50% số cuộc gọi đó từ thiết bị cầm tay thì 28 x 1/8 =3.5 cuộc gọi sẽ được thực hiện ở ga tại bất kỳ thời điểm nào trong giờ cao điểm với sự cấp phát 10 MHz. Vì mỗi bộ phát gây ảnh hưởng một diện tích là 4.4 m2 chung quanh nó nên diện tích tổng cộng là 3.5 x 4.4 = 15.4 m2 (0.154%) diện tích ga sẽ chịu tác động. Vì vậy xác suất một người dùng thiết bị hỗ trợ nghe nằm trong khu vực bị ảnh hưởng là 0.00154, với giả thiết các máy thu phát có công suất mức 4. Khi hệ thống chiếm toàn bộ 25 MHz, số cuộc gọi bắt đầu ở ga từ thiết bị cầm tay tăng lên đến 80 x 1/8 = 10, diện tích ảnh hưởng 10 x 4.4 = 44 m2 và vì vậy xác suất ảnh hưởng tăng lên 0.0044. Xác suất nhiễu từ bộ thu phát cầm tay ở ga xe lửa là 0.00154 với cấp phát 10 MHz và 0.0044 với cấp phát 25 MHz. 4.3.2 Văn phòng Người ta thấy rằng với 80 000 người trong cell bán kính 2km, và vì thế, với cell chịu tải 50% và cấp phát 10MHz, 28 trong số này (1 trong 2800) sẽ là thiết bị cầm tay GSM. Một văn phòng điển hình có 1 người trong 10 m2 và vì vậy một tòa nhà 10 tầng với 100 người trên mỗi tầng sẽ có 1000 người trong một diện tích 10 000m2. Vì 1 trong 2800 người sẽ dùng bộ phát GSM, 0.36 người trong tòa nhà sẽ phát công suất 2W (mức 4), gây ra diện tích ảnh hưởng là 1.6m2, theo phương trình 1. Điều này tương đương với 0.016% diện tích văn phòng và vì vậy xác suất nhiễu là 0.00016 với giả thiết nhân viên phân bố đều. Với sự cấp phát 25MHz, 1 trong 1000 người sẽ dùng thiết bị cầm tay GSM, và vì vậy toàn bộ diện tích chịu ảnh hưởng là 4.4m2, theo phương trình 1, xác suất bị nhiễu tăng lên 0.00044. Xác suất nhiễu từ các thiết bị thu phát cầm tay trong khối văn phòng là 0.00016 với cấp phát 10MHz và 0.00044 với cấp phát 25 MHz. 4.3.3 Đường phố Giả sử vỉa hè London rộng 3m nằm ở cả hai bên đường, và có 17.5 km đường trên mỗi km2, chúng ta có diện tích vỉa hè là 17.5 x 106 x 2 x 3 = 100 000m2 trong 1 km2. Giả sử cứ 5 m2 có 1 người thì sẽ có 20 000 người trên hè phố trong 1 km2. Giả sử điều này biểu thị cho cell chịu tải 50% và hệ thống cấp phát 10MHz thì sẽ có 28 thiết bị cầm tay đang thực hiện phát được phân bố trong 20 000 người (1 trong 714). Vì vỉa hè rộng 3m nên cứ 1.6m sẽ có 1 người và vì vậy cứ trên 1.6 x 714 = 1143m sẽ có một thiết bị cầm tay. Giả sử bộ phát tĩnh và người dùng thiết bị hỗ trợ nghe di chuyển với tốc độ 3km/h (0.83m/s), thì sẽ mất 23 phút để di chuyển giữa các bộ phát. Khi hệ thống chiếm 25 MHz, 1 trong 250 người có thiết bị cầm tay đang thực hiện phát, vì vậy cứ 400m thì có một bộ phát. Với tốc độ 3km/h, người dùng thiết bị hỗ trợ sẽ mất 8 phút để di chuyển giữa các bộ phát. Nếu bộ phát công suất mức 4 (2W) thì bán kính nhiễu sẽ là 1.2m, theo phương trình 1, và vì vậy, người dùng sẽ phải đi khoảng 2.4m khi chịu nhiễu. Với tốc độ 3km/h, việc di chuyển sẽ mất 2.9 giây. Vì vậy, thuê bao dùng thiết bị hỗ trợ nghe đi dọc đường London trong giờ cao điểm, cứ 23 phút sẽ chịu nhiễu trong 2.9 giây từ thiết bị cầm tay với hệ thống cấp phát 10MHz và 8 phút với hệ thống 25MHz. 4.3.4 Tàu hỏa Do có 80 000 người trong cell bán kính 2 km và giả sử 50% dung lượng của 112 kênh bị chiếm bởi thiết bị cầm tay, thì 1 trong 2800 người sẽ mang theo bộ thu phát cầm tay. Giả sử tàu đang chở những người làm việc đến London, có gần 0.36 người đang sử dụng thiết bị cầm tay GSM. Nếu đây là bộ phát công suất mức 4 (2 W) thì bán kính nhiễu sẽ là 1.2m, và vì vậy, giả sử bộ phát không ở cuối tàu thì có 0.36 x 2.4 = 0.9m chiều dài tàu (0.9%) sẽ chịu ảnh hưởng. Giả sử người phân bố đều, xác suất nhiễu sẽ là 0.009. Với hệ thống cấp phát 25 MHz, số người sử dụng sẽ tăng lên đến 1 bộ phát trong 1000 người, và vì vậy, 2.4 % chiều dài tàu sẽ chịu ảnh hưởng và xác suất nhiễu tăng lên 0.024. Một lần nữa, có khả năng có nhiều máy nghe băng cá nhân cùng trên tàu và gây nhiễu tương đương như vậy. Xác suất nhiễu từ thiết bị thu phát cầm tay trên tàu là 0.009 với hệ thống cấp phát 10MHz và 0.024 với hệ thống cấp phát 25MHz. 5. Các tình huống xảy ra trong 1 ngày. 5.1 Di chuyển hằng ngày vào London từ bên ngoài. Một ngày của người dùng thiết bị hỗ trợ nghe có các tình huống sau: Di chuyển từ nhà (nông thôn) đến ga xe lửa và trở về 2 x 15 phút = 30 phút Đi tàu khứ hồi đến London 2 x 1 giờ = 2 giờ Thời gian rời và đợi tàu 2 x 15 phút = 30 phút Đi trong đường ống 2 x 15 phút = 30 phút Đi bộ đến/rời văn phòng 2 x 15 phút = 30 phút Thời gian ở văn phòng 8 giờ Việc di chuyển ở vùng nông thôn và trong đường ống có thể bỏ qua vì không có nhiễu. Khi di chuyển trên tàu, nhiễu có thể gây ra bởi điện thoại công cộng (pay phone) trên tàu hoặc từ các thiết bị cầm tay. Xác suất chịu nhiễu từ hai nguồn này là: Ptổng = Ppayphone + Pportable + Ppayphone Pportable = 0.012 + 0.009 + 1.08x10-4 =0.021 cho 10MHz Ptổng = 0.012 +0.024 + 2.88 x 10-4 = 0.036 cho 25MHz Giả sử thời gian trung bình của cuộc gọi là 2 phút và vì thời gian trên tàu là 2 giờ nên Thời gian bị nhiễu tổng cộng = 120 x 0.021 = 2.5 phút Số cuộc gọi = 2.5/2 =1.26 cuộc gọi Thời gian giữa các cuộc gọi = 120/1.26 95 phút Với hệ thống 25 MHz, Ptổng = 0.036 thì thời gian tương ứng giữa các cuộc gọi là 56 phút. Chú ý rằng nếu xác suất nhiễu từ điện thoại công cộng (pay phone) và từ bộ thu phát thiết bị cầm tay được tách riêng, thì thời gian bị nhiễu trong một cuộc gọi là 167 phút do điện thoại công cộng, 222 phút do thiết bị cầm tay với hệ thống cấp phát 10MHz và 83 phút với hệ thống cấp phát 25MHz. Khi đi trên tàu, với hệ thống cấp phát 10MHz thì cứ 95 phút phải chịu nhiễu trong 2 phút, còn đối với hệ thống cấp phát 25MHz là 56 phút. Khi ở ga, xác suất tác động của nhiễu là 0.00154 (10MHZ) và 0.0044 (25MHz). Giả sử chúng ta ở trên tàu trong 30 phút (1800s) và cuộc gọi kéo dài trong 2 phút thì: Thời gian nhiễu tổng cộng = 1800 x 0.00154 = 2.8 giây Số cuộc gọi = = 0.02 cuộc gọi. Thời gian giữa các cuộc gọi= = 22 giờ Với xác suất nhiễu là 0.0044 (hệ thống 25 MHz) thì thời gian tương ứng giữa các cuộc gọi là 7.6 giờ. Khi ở nhà ga, với hệ thống cấp phát 10MHz thì cứ 22 giờ phải chịu nhiễu trong 2 phút, còn đối với hệ thống cấp phát 25MHz là cứ 7.6 giờ. Trong phần 4.3.3, với hệ thống 10MHz thì cứ 23 phút chịu ảnh hưởng của một chùm (burst) nhiễu 2.9 giây, còn với hệ thống 25MHz thì cứ mỗi 8 phút thì phải chịu nhiễu. Trong suốt 8 giờ ở văn phòng, xác suất nhiễu là 0.00016 với hệ thống cấp phát 10MHz và 0.00044 với hệ thống 25MHz. Giả sử cuộc gọi kéo dài trong 2 phút thì: Thời gian nhiễu tổng cộng = 8 x 60 x 60 x 0.00016 = 4.6 giây Số cuộc gọi = = 0.038 cuộc gọi Thời gian giữa các cuộc gọi = = 208 giờ Với xác suất nhiễu là 0.0044 (hệ thống 25 MHz) thì thời gian tương ứng giữa các cuộc gọi là 75 giờ. Khi ở văn phòng, với hệ thống 10MHz thì cứ 208 giờ phải chịu nhiễu trong 2 phút, còn đối với hệ thống 25MHz là cứ 75 giờ. Kết luận chung của tình huống 5.1 Tác động của nhiễu như sau: 10MHz 1 x 2 phút mỗi ngày trên tàu 1 x 2 phút ở ga mỗi 1.5 tháng 1 x 3 giây nhiễu chùm mỗi ngày khi bộ trên đường 1 x 2 phút mỗi tháng ở văn phòng 25MHz 2 x 2 phút mỗi ngày trên tàu 1 x 2 phút ở ga mỗi 2 tuần 4 x 3 giây nhiễu burst mỗi ngày khi bộ trên đường 1 x 2 phút mỗi 9 ngày ở văn phòng 5.2 Người sống và làm việc tại London Ngày của một người sử dụng thiết bị hỗ trợ nghe được đặc trưng bởi các tình huống sau: Di chuyển từ nhà đến đường ống nhà ga = 2 x 15 phút = 30 phút Di chuyển trong đường ống không nhiễu Đi bộ từ đường ống đến văn phòng = 2 x 15 phút = 30 phút Thời gian trên đường = 60 phút Thời gian ở văn phòng = 8 giờ Kết luận chung của tình huống 5.2 Sử dụng những nguyên nhân trong phần 5.1, tác động của nhiễu như sau: 10MHz 3 x 3 giây nhiễu burst mỗi ngày trong khi đi bộ trên đường 1 x 2 phút mỗi tháng ở văn phòng 25MHz 7 x 3 giây nhiễu burst mỗi ngày khi bộ trên đường 1 x 2 phút mỗi 9 ngày ở văn phòng 5.3 Người nghỉ hưu Khi những người nghỉ hưu sinh sống ở nông thôn, tác động của nhiễu là không đáng kể. Tuy nhiên, nếu người đó đi mua sắm một ngày ở London, ngày này sẽ có đặc điểm như sau: Đi từ nhà đến ga và trở về không nhiễu Hành trình London khứ hồi = 2 x 1 giờ = 2 giờ Thời gian rời và đợi tàu = 2 x 15 phút = 30 phút Di chuyển trong đường ống không nhiễu 3 giờ mua sắm với 1 giờ ở trên đường 1 giờ Kết luận chung của tình huống 5.3 Sử dụng những nguyên nhân ở phần 5.1, tác động của nhiễu như sau: 10MHz 1 x 2 phút trên tàu. Gần như không có tác động nhiễu xảy ra tại nhà ga. 3 x 3 giây nhiễu burst khi đi bộ trên đường. 25MHz 2 x 2 phút trên tàu. Gần như không có tác động nhiễu xảy ra tại nhà ga. 7 x 3 giây nhiễu burst khi đi bộ trên đường. 5.4 Kẹt xe trên đường Theo [Ref.10] cho thấy, một người dùng thiết bị hỗ trợ nghe đi trên lái xe trên xa lộ, với thiết bị trợ giúp hướng phần nhạy cảm nhất về phía đường, sẽ bị nhiễu nếu các phương tiện gần đó phát ra công suất phát GSM lớn hơn 2W. Người ta thấy rằng, xác suất việc các phương tiện gần đó có bộ thu phát GSM là 0.05, và nếu phương tiện di chuyển với tốc độ tương đối 5 mph thì ảnh hưởng bởi nhiễu là 2 giây cho mỗi 4 phút. 6. Thảo luận 6.1 Khách hàng GSM sử dụng thiết bị hỗ trợ nghe. 6.1.1 Các thiết bị cầm tay. Phương trình 1 chỉ ra rằng Atổng= 2.18 Pt (eq.1) và do đó = Pt Khoảng cách giữa các tai nghe ít hơn 0.25m, vì thế Pt = = 90mW nói cách khác, công suất phát tối đa từ bộ thu phát của thiết bị cầm tay ở tai không được hỗ trợ là nhỏ hơn 90mW để tránh nhiễu làm ảnh hưởng đến tai nghe có hỗ trợ. Giả sử rằng hướng ít nhạy nhất nằm trong hướng của bộ phát (nghĩa là xuyên qua đầu), vì thế công suất này có thể tăng lên 210mW. Do thiết bị cầm tay GSM có công suất mức 5 sẽ phát 800mW, người dùng thiết bị hỗ trợ nghe sẽ không thể sử dụng bộ thu phát như vậy khi không có điều khiển công suất. 6.1.2 Thiết bị trên các phương tiện di chuyển. Bộ thu phát của các phương tiện di chuyển có công suất mức 2, do đó sẽ phát công suất lớn nhất là 8W với bán kính nhiễu là 2.4 m, theo phương trình 1. Người vận hành của những bộ thu phát như vậy rõ ràng nằm trong bán kính này, do đó người dùng thiết bị hỗ trợ nghe sẽ chịu nhiễu khi các cuộc gọi được thực hiện. Có thể người vận hành sẽ hướng mình về phía anten để loại bỏ nhiễu và cuộc gọi có thể thực hiện được. 6.1.3 Di động Một khảo sát [Ref.9] cho thấy người lái xe sử dụng thiết bị hỗ trợ nghe hoàn toàn có thể sử dụng bộ phát di động GSM với anten được gắn trên giữa mái kim loại. Các vị trí anten khác hoặc một cửa sổ trời không kim loại sẽ làm cho cường độ trường bên trong xe cao quá mức cho phép. 6.2 Các giải pháp Chú ý rằng, trong suốt thời gian thí nghiệm về nhiễu, 100% tín hiệu AM được tạo ra bởi cấu trúc TDMA của GSM là nguyên nhân gây nhiễu, và GMSK liên tục thì không gây ảnh hưởng. Nhiễu từ BS vì thế có thể được loại bỏ bằng cách luôn sử dụng đầy tải, nghĩa là tất cả khe thời gian đều luôn được sử dụng và truyền với biên độ không đổi. Tuy nhiên, điều này làm tăng đột ngột tỷ số C/I vì những lý do sau: Truyền liên tục đòi hỏi các khe thời gian không sử dụng phải được kích hoạt. Truyền không liên tục (DTX) tại BS là không thể, dẫn đến hiệu quả sử dụng phổ giảm 2 lần, do thoại một chiều là rải rác (interspersed) với gần 50% là không có thoại. Điều khiển công suất thích ứng tại BS là không thể vì việc này đòi hỏi phải được thực hiện trên các khe thời gian riêng lẻ dùng để điều chế biên độ sóng mang. Chú ý rằng bất cứ trường hợp nào có tải ít hơn 100% sẽ dẫn đến kết quả tương tự như trong phổ audio nhận biết từ người (subject) vì có một khe thời gian đang sử dụng. Điều này nói rằng phổ audio giải điều chế từ một khe thời gian BS đang sử dụng sẽ giống như từ một khe thời gian không sử dụng. Các tình huống BS được trình bày trong tài liệu được dựa trên kết quả của việc nghiên cứu nhiễu tại BTRL nghĩa là một sóng mang đang hoạt động. Tuy nhiên, một site cơ sở GSM sẽ có 8 sóng mang trên mỗi cell khi chiếm 5 MHz cho mỗi operator và sử dụng một mô hình lặp đi lặp lại ba cell (three cell repeat pattern). Vì khung TDMA chia ra thành các sóng mang sẽ được đồng bộ tại BS, quá trình giải điều chế AM băng tần mở rộng có thể tăng mức nhiễu lên 8 lần (9 dB) khi các khe thời gian tương ứng được sử dụng. 6.3 Các loại nhiễu khác Hai người dùng thiết bị hỗ trợ nghe đã tham gia vào cuộc khảo sát được đưa các câu hỏi liên quan đến mức hiện tại của nhiễu. Người ta nhận thấy rằng một người sử dụng thiết bị hỗ trợ nghe chỉ một hoặc hai lần trong một tháng trong khi người kia sử dụng nó trong phần lớn ngày làm việc. Các lần sử dụng thiết bị là ở trong văn phòng, trong các cuộc họp và trong các buổi thuyết trình. Cả hai người rất hiếm khi cảm nhận được nhiễu ảnh hưởng đến thiết bị của họ với một cuộc gọi lại (recall) mà chỉ có tiếng burst kéo dài trong vài phút. Người thứ hai được gọi lại nghe một tiếng burst kéo dài trong 1 giây hoặc rất ít khi xảy ra và được nghĩ như do từ nguồn ánh sáng huỳnh quang. 6.4 Các biến thể có thể xảy ra. Phạm vi của mô hình này được xem là rất nhỏ và chi phối bởi các giả thiết. Nên sẽ có các thay đổi có thể ảnh hưởng lớn đến các kết luận rút ra từ mô hình này, chẳng hạn như : Người dùng thiết bị hỗ trợ nghe có thể tắt thiết bị một khoảng thời gian trong ngày khi không cần thiết phải giao tiếp bằng lời. Người dùng có thể xác định các nguồn nhiễu và học cách tránh xa nguồn nhiễu này. Các tình huống này chỉ ứng với khu vực địa bàn London. Có xu hướng dùng vùng ngăn cách tự nhiên chung quanh người, sử dụng bộ thu phát thiết bị cầm tay mà có thể giảm được vùng trong đó người đi đường dùng thiết bị hỗ trợ nghe, và do đó giảm được xác suất nhiễu. Truyền không liên tục tại MS sẽ tạo ra các sự gián đoạn trên đường truyền và sẽ thay đổi cách thức bị nhiễu tác động. Không phải tất cả tàu lửa đều có điện thoại công cộng và những tàu mà có phone đặt ở giữa toa tàu sẽ không có chỗ dành cho khách. Thiết bị hỗ trợ nghe tập trung chủ yếu vào những người nghỉ hưu, đó là các đối tượng ít khi di chuyển vào thành phố. Do tính toán, con số chịu nhiễu là trung bình. Độ lệch chuẩn so với con số này có khả năng là lớn. Con số thiết bị cầm tay trên tàu có thể giảm đáng kể nếu thiết bị hỗ trợ nghe không được đặt ở giữa tàu và nếu mật độ người đông gây ra sự suy hao đáng kể của tín hiệu phát. 7. Kết luận Những tình huống được trình bày trong tài liệu này đưa ra giả thuyết rằng tác động lớn nhất của nhiễu GSM là từ thiết bị cầm tay và từ các bộ thu phát của các phương tiện di chuyển vì thiết bị này được cầm vào các khu vực có mật độ dân số cao. Xác suất nhiễu chủ yếu từ điện thoại công cộng trên tàu. Người dùng thiết bị hỗ trợ nghe sẽ không thể sử dụng thiết bị cầm tay GSM hoặc bộ thu phát trên các phương tiện ở bất cứ mức công suất nào. Người dùng thiết bị hỗ trợ nghe có thể dùng phương tiện có bộ thu phát với anten được gắn ở giữa nóc xe. Người ta thấy rằng, vì nhiễu hiếm khi có thể cảm nhận được từ các nguồn khác nhau, nên việc nhận biết nhiễu GSM hằng ngày ngày càng được quan tâm. Trong bốn tình huống di chuyển được chọn, tình huống di chuyển đến London từ khu vực nông thôn chắc chắn chịu nhiễu thường xuyên suốt một cuộc gọi trên tàu (2 phút) và các chùm nhiễu 3 giây khi đi trên đường ngay cả với hệ thống cấp phát 10MHz. Điều này dẫn đến “nhiễu đôi hàng ngày” cho một cuộc gọi và bốn chùm nhiễu 3 giây khi cấp phát 25MHz. Tình huống “người làm việc và sống ở London trong thành phố” là ít bị ảnh hưởng của nhiễu nhất. Khi hoạt động với hệ thống cấp phát 10 MHz, mỗi ngày người dùng sẽ chịu ảnh hưởng của các burst 3 giây. Người nghỉ hưu nhiều khả năng sử dụng thiết bị hỗ trợ nghe nhưng ít khi dùng trong thành phố. Nếu đi mua sắm một ngày trong thành phố, khả năng bị nhiễu sẽ cao trong suốt cả ngày đó với một chùm nhiễu (burst) cho một cuộc gọi trên tàu và ba burst 3 giây trong khi di chuyển giữa các cửa hàng. Điều này làm tăng lên nhiễu kép (2 exposure) cho thời gian một cuộc gọi và bảy burst 3 giây với hệ thống đã phát triển. Khi một phương tiện bị kẹt trên đường, di chuyển với tốc độ 5mph, một người sử dụng thiết bị hỗ trợ nghe cứ 4 phút sẽ chịu những burst nhiễu kéo dài 2s. Ta có thể thấy rằng khả năng chống nhiễu hiện tại của NHS đối với 900MHz GSM EMI, một người dùng thiết bị hỗ trợ và yêu cầu được sử dụng nó suốt ngày làm việc hay đi lại sẽ phải chịu nhiễu đều đặn hằng ngày khi hệ thống GSM phát triển. Nếu tác động của nhiễu được xem là không thể chấp nhận, khả năng chống nhiễu của thiết bị hỗ trợ nghe tại tần số 900 MHz sẽ được đòi hỏi để giảm tác động của nhiễu GSM vì xem ra không có sự thay đổi nào về cấu trúc GSM trên thực tế để đạt được yêu cầu giảm nhiễu này. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Central Statistical Office- ‘Annual abstract of statistics 1987’ HMSONo. 123 2. Central Statistical Office - ‘Regional trends 1985’HMso 3. CCIR- ‘VHF and UHF propagation curves for land mobile services’ CCIR Rec.529 Rep.567-3 4. GSM recommendations 03.30 and 05.05 5. Short J M - ‘An investigation into the effects of RF interference on hearing aid users’ 23/8/89 6. IEEGroup E11 - Propagation factors and interference modelling for mobile radio systems’ IEE Colloquium,Digest No. 1988/123 7. HolbecheR J - ‘Land mobile radio systems’ IEE Telecomms series 14 Peter Peregrinus 1985 t 8. Tattersall P R - ‘Domestic equipment susceptibility to GSM mobile radio transmission’ 13/6/89 9. Short J M - ‘An investigation to determine the penetration of 900MHz RF into vehicles’ 23/lW89 10. Muaday P J - ‘GSM EMC scenario model – Motorway traffic jam’ 9/l/90 11. Short J M - ‘GSM Interference Scenarios’ 30/11/89 12. Short JM-’A day in the life of a hearing aid user’ 9/1/90