Phân tích và qui hoạch vùng phủ sóng mạng Internet không dây băng rộng sử dụng công nghệ WiMax

ường NLOS với trễ lan truyền lớn. Nhờ ưu điểm của thời biểu trưng OFDM và sử dụng một tiền tố vòng, dạng sóng OFDM đã loại bỏ được các vấn đề nhiễu liên biểu trưng (inter-ký hiệu interference – ISI) và sự phức tạp của sự cân bằng thích nghi. Bởi vì dạng sóng OFDM bao gồm nhiều sóng mang trực giao băng hẹp, pha-đinh lựa chọn được định vị cho một tập con các sóng mang tương đối dễ cân bằng. Một ví dụ chỉ ra dưới đây sẽ so sánh giữa một tín hiệu OFDM và một tín hiệu sóng mang đơn, với thông tin được gửi song song cho OFDM và hàng loạt sóng mang đơn. Khả năng khắc phục trễ, đa đường và ISI một cách có hiệu quả cho phép tăng tốc độ dữ liệu. Một ví dụ chỉ ra việc cân bằng các sóng mang OFDM riêng lẻ dễ dàng hơn so với việc cân bằng tín hiệu sóng mang đơn. Hình 3.18: Sóng mang đơn và tín hiệu thu OFDM Hình bên trái là sóng mang đơn, nét chấm biểu diễn phổ phát, vùng nét liền biểu diễn đầu vào phía thu. Vì tất cả những lý do này, các tiêu chuẩn quốc tế đần đây (IEEE, 802.16, ETSI BRAN, ETRI) thiết lập OFDM như một công nghệ để lựa chọn. • Kênh con hóa: Kênh con hoá (sub-channelization) trên đường lên là tuỳ chọn trong công nghệ WiMax, khi không sử dụng kênh con hóa, những sự hạn chế điều tiết và yêu cầu các CPE chi phí hiệu quả gây lên quỹ đường truyền không đối xứng, điều này cũng dẫn đến phạm vi hệ thống trên đường truyền lên bị hạn chế. Kênh con hoá cho phép quỹ đường truyền được cân bằng làm cho độ tăng ích (gain) của hệ thống là tương tự nhau đối với cả đường truyền lên và xuống. Kênh con hoá tập trung công suất phát vào một vài sóng mang OFDM; điều này làm tăng độ tăng ích hệ thống và mở rộng 90 hệ thống, khắc phục được tổn hao thâm nhập tòa nhà hoặc giảm công suất tiêu thụ của CPE. Việc sử dụng kênh con hoá còn được mở rộng hơn trong truy nhập đa sóng mang phân chia theo tần số trực giao (OFDMA) cho phép sử dụng linh hoạt hơn tài nguyên cung cấp cho di động. Hình 3.19: Hiệu ứng kênh con hoá (sub channelization) b. Anten trong các ứng dụng không dây cố định Các anten định hướng tăng độ dự trữ (fade margin) bằng cách thêm vào độ lợi, điều này làm tăng độ khả dụng của đường truyền được chỉ ra bởi hệ số K - hệ số so sánh giữa anten định hướng và anten đẳng hướng. Độ trễ truyền dẫn sẽ giảm bởi anten định hướng tại cả trạm gốc và CPE. Mô hình anten ngăn bất kỳ tín hiệu đa đường nào nhận được tại búp sóng chính (sidelobes) và búp sóng phụ (backlobes). Mức độ hiệu quả của phương pháp này được chứng minh và thể hiện ở việc triển khai thành công dịch vụ vận hành dưới sự ảnh hưởng đáng kể của pha-đinh NLOS. Các hệ thống anten thích ứng (Adaptive antenna systems – AAS) là một phần tuỳ chọn trong chuẩn 802.16. Chúng có các thuộc tính tạo tia mà có thể hướng sự tập chung vào một hoặc nhiều hướng xác định. Điều này có nghĩa là trong khi truyền, tín hiệu có thể bị giới hạn tới hướng yêu cầu của bộ thu như một tia sáng. Ngược lại khi thu, hệ thống AAS có thể được thiết kế để chỉ tập chung vào hướng tín hiệu đến. Chúng cũng có đặc tính khử nhiễu đồng kênh từ các trạm khác. Các hệ thống AAS được coi là sự phát triển trong tương lai và thậm chí có thể cải tiến đế tái sử dụng lại phổ và dung lượng của mạng WiMax. 91 Hình 3.20: Ứng dụng của hệ thống anten mimo đối với các trường hợp sử dụng khác nhau • Phân tập thu phát: Nguyên lý phân tập được sử dụng để thu những tín hiệu đa đường và phản xạ xuất hiện trong trường hợp truyền NLOS. Phân tập là một đặc điểm tuỳ chọn trong WiMax. Thuật toán phân tập được cung cấp bởi WiMax trên cả phía phát và phía thu làm tăng độ khả dụng của hệ thống. Tuỳ chọn phân tập trong WiMax sử dụng mã hoá không gian thời gian để cung cấp tính độc lập nguồn phát; điều này làm giảm yêu cầu về dự trữ suy giảm và chống nhiễu. Đối với phân tập thu, các kỹ thuật kết hợp khác nhau có sẵn cải thiện được độ khả dụng của hệ thống. Ví dụ, tỉ số truyền kết hợp cực đại (Maximum Radio Combining – MRC) mang lại lợi ích cho hai chuỗi thu khác nhau giúp khắc phục pha-đinh và giảm tổn hao đường truyền. Phân tập đã được chứng minh là một công cụ hiệu quả cho truyền NLOS. • Điều chế thích nghi: Điều chế thích nghi (adaptive modulation) cho phép hệ thống WiMax điều chỉnh nguyên lý điều chế tín hiệu theo tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR) của đường truyền vô tuyến. Khi đường truyền vô tuyến có chất lượng cao, nguyên lý điều chế cao nhất 92 được sử dụng làm tăng thêm dung lượng hệ thống. Trong quá trình suy giảm tín hiệu, hệ thống WiMax có thể chuyển sang một nguyên lý điều chế thấp hơn để duy trì chất lượng và sự ổn định của đường truyền. Đặc điểm này cho phép hệ thống khắc phục hiệu ứng pha-đinh lựa chọn thời gian. Đặc điểm quan trọng của điều chế thích nghi là khả năng tăng dải sử dụng của nguyên lý điều chế ở mức độ cao hơn, do đó hệ thống có tính mềm dẻo đối với tình trạng pha-đinh thực tế. Hình dưới mô tả tương quan bán kính cell trong điều chế thích nghi Hình 3.21: Bán kính cell • Các kĩ thuật hiệu chỉnh lỗi: Các kỹ thuật hiệu chỉnh lỗi đã được kết hợp vào WiMax để giảm yêu cầu tỉ lệ SNR của hệ thống. Mã hoá xoắn vòng Reed Solomon FEC và các thuật toán ghép xen được sử dụng để phát hiện và hiệu chỉnh các lỗi để cải tiến thông lượng. Các kỹ thuật hiệu chỉnh lỗi tốt giúp khôi phục lại các khung bị lỗi đó là các khung bị mất do pha-đinh lựa chọn tần số hoặc lỗi cụm. Thuật toán yêu cầu tự động gửi lại – ARQ được sử dụng để hiệu chỉnh các lỗi mà không sửa được bằng thuật toán FEC. Thuật toán này đã cải tiến đáng kể hiệu suất BER đối với cùng một mức ngưỡng • Điều khiển công suất: Các thuật toán điều khiển công suất được sử dụng để cải tiến hiệu suất tổng thể của hệ thống, nó được thực hiện nhờ trạm gốc gửi thông tin điều khiển công suất tới từng CPE để ổn định mức công suất phát sao cho mức thu được tại trạm gốc luôn ở mức định trước. Trong một môi trường pha-đinh thay đổi không ngừng mức hiệu suất định trước này có nghĩa là CPE chỉ truyền đủ công suất theo yêu cầu, ngược lại mức công suất phát của CPE sẽ không phù hợp. Công suất phát sẽ làm giảm năng lượng tiêu thụ tổng của CPE và nhiễu tiềm ẩn từ các trạm gốc lân cận. Với LOS, 93 công suất phát của CPE xấp xỉ tỉ lệ với khoảng cách của nó tới trạm gốc, với NLOS nó phụ thuộc rất nhiều vào khoảng trống và trướng ngại vật. c. Các định nghĩa, các tham số và các giả thiết tổng quát Tín hiệu nhận được tại MS bao gồm: N lần trễ đa đường của tín hiệu truyền “N paths” này được xác định bằng năng lượng và trễ được lựa chọn ngẫu nhiên theo kênh truyền thông thường. Mỗi đường truyền bao gồm M đường truyền phụ Hình 3.22: Các thông số góc của trạm gốc và thuê bao Thông số góc của trạm gốc và thuê bao: ߗ஻ௌ: chùm tia định hướng của anten BS, xác định bằng sự lệch giữa toàn bộ các hướng của mạng anten BS và hướng tham chiếu chính Bắc. ߠ஻ௌ: hướng LOS AoD giữa trạm gốc và thuê bao với toàn bộ các hướng của mạng anten trạm gốc ߪ௡ , AoD: AoD cho ݊đườ௡௚ ௧௥௨௬ề௡ (n = 1, 2,…,N) tương ứng với LOS AoD ߠ௢ ߂௡,௠,஺௢஽ : AoD của ݉đườ௡௚ ௧௥௨௬ề௡ ௣௛ụ (m = 1, 2,...,M) của ݊đườ௡௚ ௧௥௨௬ề௡ tại trạm gốc tương ứng với toàn bộ các hướng của mạng anten trạm gốc. ߗெௌ: chùm tia định hướng của anten thuê bao, được xác định bằng toàn bộ các hướng mạng anten thuê bao và hướng tham chiếu chính bắc. ߠெௌ: góc xác định giữa BS-MS LOS và MS broadside. ߪ௡ , AoA: góc tới của ݊đườ௡௚ ௧௥௨௬ề௡ (n = 1, 2,….,N) tương ứng với LOS AoA ߠ௢,ெௌ ߂௡,௠,஺௢஺ : khoảng cách thẳng góc với đường chính cho ݉đườ௡௚ ௧௥௨௬ề௡ ௣௛ụ (m = 1, 2,….,M) của ݊đườ௡௚ ௧௥௨௬ề௡ ߪ௡ , AoA. 94 ߪ௡,௠,஺௢஺ : hướng chính của góc tới AoA cho ݉đườ௡௚ ௧௥௨௬ề௡ ௣௛ụ ݉đườ௡௚ ௧௥௨௬ề௡ ௣௛ụ của ݊đườ௡௚ ௧௥௨௬ề௡ tại trạm gốc tương ứng với toàn bộ các hướng của mạng anten trạm gốc v: tốc độ di chuyển của thuê bao ߠ௩: góc của vectơ vận tốc tương ứng với toàn bộ các hướng của mạng anten thuê bao ߠ௩ ൌ arg ሺݒሻ 3.5.5 Suy hao đường truyền trong hệ thống WiMax Suy hao đường truyền: Trong thông tin vô tuyến điểm đến điểm do anten đặt cao, nên suy hao đường truyền tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách R giữa anten thu và phát (ܴଶ). Để tính toán suy hao đường truyền người ta lập các mô hình truyền sóng khác nhau. Do đặc điểm truyền sóng không ổn định nên các mô hình có mang tính thực nghiệm. Dưới đây ta xét một số mô hình truyền sóng thường được sử dụng để tính toán suy hao đường truyền: a. Mô hình Hata- Okumura Hầu hết các công cụ truyền sóng sử dụng một dạng biến đổi của mô hình Hata. Mô hình Hata là quan hệ thực nghiệm được rút ra từ báo cáo kĩ thuật của Okumura bao gồm một chuỗi các lưu đồ được sử dụng để lập mô hình thông tin vô tuyến. Vùng thành phố: ܮ௣ = 69,55 + 26,16lg ௖݂ - 13,82lg݄௕ - a(݄௠) + (44,9 – 6,55lg݄௕)lgRdB (Phương trình 3.11) Trong đó: ௖݂ = tần số (MHz) ܮ௣ = tổn hao trung bình ݄௕ = độ cao anten trạm gốc (m) a(݄௠) = hệ số hiệu chỉnh cho độ cao anten di động (dB) R = khoảng cách từ trạm gốc (km) Dải thông số sử dụng được cho mô hình Hata là: 150 ൑ ௖݂ ൑ 1500 MHz 95 30 ൑ ݄௕ ൑ 200m 1 ൑ ݄௠ ൑ 10m 1 ൑ ܴ ൑ 20km a(݄௠) được tính như sau: Đối với thành phố nhỏ và trung bình: a(݄௠) = (1,1lg ௖݂ – 0,7) ݄௠ - (1,56lg ௖݂ - 0,8)dB Đối với thành phố lớn: a(݄௠) = 8,29(lg1,54݄௠)2 – 1,1dB ௖݂ ൒ 200MHz hay: a(݄௠) = 3,2(lg11,75݄௠)2 – 4.97 dB ௖݂ ൒ 400MHz Vùng ngoại ô: ܮ௣ = ܮ௣ሺ௧௛à௡௛ ௣௛ốሻ – 2 Hình 3.23: Hình vẽ mô phỏng mô hình Hata Mô hình Hata không xét đến mọi hiệu chỉnh cho đường truyền cụ thể được sử dụng trong mô hình Okamura. Mô hình Okumura có khuynh hướng trung bình hóa một số tình trạng cực điểm và không đáp ứng nhanh sự thay đổi nhanh của mặt cắt đường truyền vô tuyến. Khoảng cách của mô hình Okumura phù hợp với các giá trị đo. Mô hình Okumura yêu cầu thực hiện đánh giá thiết kế khá lớn, đặc biệt khi lựa chọn các yếu tố môi trường phù hợp. Cần có các dữ liệu để có khả năng dự đoán các nhân tố môi trường trên cơ sở tính chất vật lý của các tòa nhà xung quanh máy thu di động. Ngoài các nhân tố về môi trường phù hợp, cần thực hiện hiệu chỉnh theo đường truyền cụ thể để biến đổi dự đoán tổn hao đường truyền trung bình của Okumura và dự đoán cho đường truyền cụ thể đang được khảo sát. Các kỹ thuật của 96 Okumura để hiệu chỉnh mặt đất bất thường và các đặc điểm khác của đường truyền cụ thể đòi hỏi các diễn giải thiết kế. b. Mô hình Walfish-Ikegami Mô hình này được sử dụng để đánh giá tổn hao đường truyền ở môi trường thành phố cho hệ thống thông tin di động mạng tổ ong. Mô hình này là sự kết hợp giữa mô hình thực nghiệm và xác định để đánh giá tổn hao đường truyền ở vùng thành phố trong dải tần 800-2000MHz. Trước hết mô hình này được sử dụng ở châu Âu cho hệ thống GSM và ở một số mô hình truyền sóng ở Mỹ. Mô hình này chứa ba phần tử: Tổn hao không gian tự do, nhiễu xạ mái nhà phố và tổn hao tán xạ và tổn hao do nhiều vật chắn. Các biểu thức sử dụng cho mô hình này như sau: ܮ௣ = ܮ௙ + ܮ௥௧௦ + ܮ௠௦ (Phương trình 3.12) Hay ܮ௣ = ܮ௙ khi ܮ௥௧௦ + ܮ௠௦ ൑ 0 Trong đó: ܮ௙ = tổn hao trong không gian tự do ܮ௥௧௦ = nhiễu xạ mái nhà phố và tổn hao tán xạ ܮ௠௦ = tổn hao các vật che chắn Tổn hao không gian tự do được tính như sau: ܮ௙ = 32,4 + 20lgR + 20lg ௖݂ (dB) Nhiễu xạ nóc nhà phố và tổn hao phân tán tính như sau: ܮ௥௧௦ = (-16,7) – 10lgW + 10lg ௖݂ + 20lgΔ݄௠ + ܮ௢ (dB) Trong đó: W = độ rộng phố (m) Δ݄௠ = ݄௥ - ݄௠ (m) ܮ௢ = - 9,646 dB 0 ≤ Φ ≤ 55 (độ) ܮ௢ = 2,5 + 0,075(Φ – 55) (dB) 55 ≤ Φ ≤ 90 (độ) Trong đó: Φ là góc đến so với trục phố Tổn hao các vật chắn xác định như sau: ܮ௠௦ = ܮ௕௦௛ + ݇௔ + ݇ௗlgR + ݇௙lg ௖݂ – 9lgb Trong đó: 97 b = khoảng cách giữa các toàn nhà dọc theo đường truyền vô tuyến (m) Hình 3.24: Mô phỏng mô hình Walfish-Ikegami ܮ௕௦௛ = - 18lg11 + Δ݄௕݄௕ > ݄௥ ܮ௕௦௛ = 0 ݄௕ < ݄௥ ݇௔ = 54 ݄௕ > ݄௥ ݇௔ = 54 – 0,8݄௕ R ≥ 500m, ݄௕ ≤ ݄௥ ݇௔ = 54 – 1,6Δ݄௕R R < 500m, ݄௕ ≤ ݄௥ Lưu ý: Cả ܮ௕௦௛ và ݇௔ đều tăng tổn hao đường truyền khi độ cao anten trạm gốc thấp hơn ݇ௗ = 18݄௕ < ݄௥ ݇ௗ = 18 - ଵହ୼௛್୼௛೘ ݄௕ ≥ ݄௥ ݇௙ = 4 + 0,7ቀ ௙೎ଽଶହ െ 1ቁ đối với thành phố trung bình và vùng ngoại ô có mật độ cây trung bình. ݇௙ = 4 + 1,5ቀ ௙೎ଽଶହ െ 1ቁ đối với trung tâm thành phố Dải thông số cho mô hình Walfish – Ikegami phải thỏa mãn: 800 ൑ ௖݂ ൑ 2000 MHz 4 ൑ ݄௕ ൑ 50m 1 ൑ ݄௠ ൑ 3m 0,02 ൑ ܴ ൑ 5km Có thể sử dụng các giá trị mặc định sau cho mô hình: b = 20 – 50 m W = b/2 98 Φ = b/2 Nóc nhà = 3 m cho nóc nhà có độ cao và 0 m cho nóc nhà phẳng ݄௥ = 3(số tầng) + nóc nhà Ta tính toán tổn hao đường truyền từ mô hình Hata và Walfish – Ikegami theo các số liệu dưới đây và so sánh kết quả trên bảng dưới đây: ௖݂ = 880 MHz; ݄௥ = 30m ݄௠ = 1,5m; Φ = 90௢ ݄௕ = 30m; b = 30m Nóc nhà = 0m; W = 15m Khoảng cách (km) Tổn hao đường truyền (dB) Mô hình Hata Mô hình Walfish – Ikegami 1 126,16 139,45 2 136,77 150,89 3 142,97 157,58 4 147,37 162,33 5 150,79 166,01 Bảng 3.11: Bảng so sánh tổn hao đường truyền từ mô hình Hata và Walfish – Ikegami Tổn hao đường truyền dự đoán theo mô hình Hata thấp hơn 13- 16 dB so với mô hình Walfish – Ikegami. Mô hình Hata bỏ qua ảnh hưởng của độ rộng phố, nhiễu xạ phố và các tổn hao tán xạ. Các ảnh hưởng này được xét ở mô hình Walfish – Ikegami. c. Mô hình IMT – 2000 Vì ITU IMT - 2000 là tiêu chuẩn toàn thế giới, nên các mô hình được đề để xuất đánh giá các công nghệ truyền dẫn sẽ xét 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 của nó và các thay đổi của nó - Quy tắc tổn hao địa lý và các đường truyền bổ sung - Pha-đinh che tối - Các đặc tính của pha đinh nhiều đường 99 - Tần số công tác vô tuyến • Mô hình môi trường trong nhà: Mô hình này được đặc trưng bởi các ô nhỏ và công suất phát thấp. Trạm gốc và người sử dụng đều ở Indoor. Trễ truyền lan trung bình nằm trong dải từ 35 đến 460 ns. Quy tắc tổn hao thay đổi vì sự phân tán và suy hao do tường và các cấu trúc kim loại như: các vách ngăn và các tủ tài liệu. Các vật này gây ra ảnh hưởng che tối. Che tối này có thể có luật Logarit chuẩn với dịch chuẩn 12dB. Các đặc tính pha-đinh thay đổi từ Rician đến Rayleigh với dịch tần Doppler phụ thuộc vào tốc độ đi bộ. Mô hình tổn hao cho môi trường này là: ܮ௣ = 37 + 30lgR + 18,3ܨሾሺிାଶሻ/ሺிାଵሻି଴,ସ଺ሿ Trong đó: R là khoảng cách giữa máy phát và máy thu (m) F là số tầng trên đường truyền. • Môi trường giữa trong nhà và vỉa hè: Môi trường được đặc trưng bởi các ô nhỏ và công suất phát thấp. Các trạm gốc với anten thấp được đặt ngoài trời, người đi bộ ngoài phố, bên trong nhà hoặc bên trong biệt thự. Trễ trung bình quân phương thay đổi từ 100 đến 1800 ns. Quy tắc tổn hao địa lý ܴିସ được áp dụng. Nếu đường truyền có tầm nhìn thẳng trên phố dạng hẻm núi thì tổn hao đường truyền tuân theo quy tắc ܴିଶ. Pha-đinh che tối logarit chuẩn với lệch chuẩn 10dB cho ngoài trời và 12dB cho trong nhà là hợp lý. Tổn hao truy nhập toàn nhà trung bình là 18dB với lệch chuẩn 10dB là phù hợp. Tốc độ pha-đinh Rayleigh hoặc pha-đinh Rician thường phụ thuộc tốc độ đi bộ, nhưng đôi khi xảy ra pha-đinh nhanh hơn do các xe chuyển động. Mô hình sau được đề xuất cho môi trường này: ܮ௣ = 40lgR + 30lg ௖݂ + 49 dB Trong đó ௖݂ là tần số sóng mang Mô hình này chỉ đúng cho trường hợp không theo tầm nhìn thẳng và mô tả truyền sóng tốt nhất và pha-đinh che tối chuẩn có lệch chuẩn 10 dB. Tổn hao truy nhập tòa nhà trung bình 18 dB với lệch chuẩn 10 dB • Môi trường xe cộ: Môi trường này gồm các ô lớn và công suất phát cao. Trễ trung bình quân phương từ 0,4 ms đến khoảng 12 ms có thể xảy ra ở các lộ đường dốc ở vùng núi đồi. Quy 100 tắc tổn hao địa lý ܴିସ và pha đinh che tối logarit chuẩn với lệch chuẩn 10 dB được sử dụng ở các vùng thành phố và ngoại ô. Tổn hao trung truy nhập tòa nhà trung bình 1 dB với lệch chuẩn 10 dB. Tại các vùng nông thôn có địa hình phẳng, tổn hao đường truyền thấp hơn so với vùng thành phố và ngoại ô. Với các vùng đồi núi, nếu có thể tránh được che chắn đường truyền bằng cách đặt các trạm gốc thì tổn hao gần với ܴିଶ. Tốc độ pha-đinh Rayleigh phụ thuộc vào tốc độ xe. Tốc độ pha-đinh thấp phù hợp cho các ứng dụng sử dụng các đầu cuối cố định. Mô hình được sử dụng cho môi trường này là: ܮ௣ = 40(1 – 4.10ିଶΔ݄௕)lgR – (18lg Δ݄௕) + 21lg ௖݂ + 80 dB (Phương trình 3.13) Trong đó: R là khoảng cách giữa trạm gốc và thuê bao ௖݂ là tần số sóng mang (MHz) Δ݄௕ là độ cao anten trạm gốc so với mức trung bình của mái nhà. 3.5.6 Tạo ra các thông số của người sử dụng đối với các môi trường: cell lớn môi trường thành phố và cell lớn môi trường vùng ngoại ô Hình 3.25: Mô hình WiMax đối với các môi trường khác nhau - Bước 1: Chọn cell lớn môi trường thành phố hay cell lớn môi trường vùng ngoại ô - Bước 2: Xác định rõ các thông số khoảng cách và thông số định hướng Vị trí của thuê bao tương ứng với mỗi trạm gốc được xác định theo vị trí bố trí cell Tại vị trí này: - Khoảng cách từ thuê bao đến trạm gốc là d 101 - LOS định hướng tương ứng với trạm gốc và thuê bao là ߠ஻ௌ và ߠெௌ - Chùm tia định hướng của anten thuê bao là Ωெௌ (0௢ đến 360௢ሻ - Vận tốc v của thuê bao có độ lớn ԡݒԡ - Hướng của ߠ௩ (0௢ đến 360௢ሻ - Bước 3: Xác định DS, AS và LN: tương ứng với ߪ஽ௌ, ߜ஺ௌ, ߜ௅ே - Bước 4: Xác định khoảng trễ ngẫu nhiên cho mỗi thành phần của N đa đường: + Đối với môi trường cell lớn: N = 6 (thông số trong Bảng 3.1) Tạo ta các thông số thay đổi từ τଵᇱ ,…, τேᇱ theo công thức sau: τேᇱ = - Γ஽ௌ. ߪ஽ௌ.logܼ௡ (Phương trình 3.14) Với n = 1,…, N Với ܼ௡ (n = 1,…, N) ngẫu nhiên với giá trị phân phối không đổi U(0,1) Γ஽ௌ được đưa ra trong khoảng 0 đến 3 ߪ஽ௌ xác định trong bước 2 ở trên Các giá trị thay đổi này theo trình tự: τሺேሻᇱ > τሺହሻᇱ >…> τሺଵሻᇱ Và giá trị bé nhất ở đây là trừ đi tất cả, do đó trễ đầu tiên luôn có giá trị = 0 Những trễ này đã được lượng tử hóa đúng với thời điểm gần nhất ଵଵ଺ khoảng chip và 6 trễ được tính bằng: τே = ೎்ଵ଺.floorቈ தሺಿሻᇲ ି தሺభሻᇲ ೅೎ భల ൅ 0,5቉ (Phương trình 3.15) Với n = 1,…, N floorሾݔሿ là giá trị phần nguyên của x và ௖ܶ là khoảng chip (chip interval) ௖ܶ = ଵ ଷ,଼ସ.ଵ଴ల (s) trong 3GPP ௖ܶ = ଵ ଵ,ଵଶ଼଼.ଵ଴ల (s) trong 3GPP2 Sau đó 6 trễ được đưa ra: τே = τሺேሻᇱ - τሺଵሻᇱ ; với n = 1,…, N ( với τே > τହ > … > τଵ) - Bước 5: Xác định năng lượng ngẫu nhiên xấp xỉ cho mỗi thành phần N đa đường: ௡ܲᇱ = ݁ ቀభష ౳ವೄሻሺ ಜሺಿሻᇲ ష ಜሺభሻᇲ ሻ ౳ವೄ.഑ವೄ . 10ି ఌ೙ (Phương trình 3.16) 102 Với n = 1,…, 6 ߝ௡ (n = 1,…, 6) là giá trị Gaussian ngẫu nhiên với ߪோே஽ଶ = 3dB Lưu ý rằng năng lượng được xác định sử dụng thì không lượng tử hóa trễ kênh truyền Tổng năng lượng trung bình cho 6 đường truyền: ௡ܲ = ௉೙ᇲ ∑ ௉೙ᇲల೙సభ - Bước 6: Xác định các AoD cho mỗi thành phần N đa đường ߜ௡ᇱ ~ η(0,ߪ஺௢஽ଶ ) ; n = 1,…, N Với ߪ஺௢஽ = Γ஺ௌ * ߪ஺ௌ Giá trị Γ஺ௌ trong bảng và phụ thuộc vào môi trường cell lớn ở vùng thành phố hay vùng ngoại ô. Với ߪ஺ௌ xác định trong bước 3, các giá trị ở đây được tính theo độ và các giá trị ߜ௡ tăng dần: หߜሺଵሻᇱ ห < หߜሺଶሻᇱ ห < … < หߜሺேሻᇱ ห ܣ݋ܦ௦: n = 1,…, N xác định cho ߜ௡,஺௢஽ = ߜሺ௡ሻᇱ ; n = 1,…, N - Bước 7: Liên quan đến trễ đa đường với ܣ݋ܦ௦ ݊௧௛ trễ ߬௡ ở bước 3 liên quan đến ݊௧௛ AoD ߜ௡,஺௢஽ tính được ở bước 6 - Bước 8: Xác định năng lượng, pha, và bù cho ܣ݋ܦ௦ của M = 20 đường truyền phụ (subpath) trong N đường truyền tại trạm gốc. Tất cả 20 đường truyền phụ liên kết với n đường truyền có giá trị năng lượng giống hệt nhau = ௉೙ଶ଴ với ௡ܲ lấy từ Bước 5. ߔ௡,௠ = 0௢ đến 360௢ m đường truyền phụ (m = 1,…,M) ߂௡,௠,஺௢஽ là giá trị cố định trong bảng 0-4 Ví dụ: Đối với cell lớn vùng đô thị và vùng ngoại ô, phần bù cho đường truyền phụ thứ 1 và đường truyền phụ thứ 2 là : ߂௡,ଵ,஺௢஽ = 0,0894 độ ߂௡,ଶ,஺௢஽ = - 0,0894 độ - Bước 9: Xác định góc tới (ܣ݋ܣ௦) cho mỗi thành phần của đa đường (hiệu ứng đa đường) 103 Giá trị AoA theo Gaussian thay đổi: ߜ௡,஺௢஺ ~ η(0,ߪ௡ଶ,AoA) ; n = 1,…, N Với ߜ௡,஺௢஺ = 104.12ሾ1 െ ݁ݔ݌ሺെ0,2175|10 logଵ଴ሺ ௡ܲሻ|ሻሿ Với ௡ܲ là năng lượng của n đường truyền ở Bước 5 Bước 10: Xác định bù góc tới tại UE (user equipment – thiết bị của người sử dụng) của M = 20 đường truyền phụ tại 1 trong N đường truyền tại vị trí thuê bao Như trong bước 8 đối với bù cho AoD, sự liên quan giữa bù của m đường truyền phụ (m = 1,…, M) là ߂௡,௠,஺௢஽ là cố định trong bảng. Giá trị bù được lựa chọn theo mong muốn trên từng đường truyền là: 1 góc có giá trị 35 độ - Bước 11: Sự liên quan giữa các đường truyền và đường truyền phụ của trạm gốc và thuê bao: n đường truyền tại trạm gốc (xác định bằng các thông số của chính n đường truyền này: trễ ߬௡, năng lượng ௡ܲ, AoD ߜ௡,஺௢஽) liên quan với n đường truyền tại thuê bao (được xác định bằng các thông số của chính nó: AoA ߜ௡,஺௢஺) với “1 cặp đôi” n đường dẫn, cặp đôi ngẫu nhiên của một trong M đường truyền phụ tại trạm gốc (xác định bằng giá trị bù ߂௡,௠,஺௢஽ và pha ߔ௡,௠ của bản thân nó) với một trong M đường truyền con của thuê bao (xác định bằng thông số bù ߂௡,௠,஺௢஺ của nó) - Bước 12: Xác định độ tăng ích anten của các đường truyền phụ tại trạm gốc và thuê bao theo các giá trị tương ứng của đường truyền con là ܣ݋ܦ௦ và ܣ݋ܣ௦ Trong n đường truyền, AoD của m đường truyền phụ (tương ứng với antenna array broadside của trạm gốc): ߠ௡,௠,஺௢஽ = ߠ஻ௌ + ߜ௡,஺௢஽ + ߂௡,௠,஺௢஽ (Phương trình 3.17) Tương tự, AoA của m đường truyền phụ trong n đường truyền (tương ứng với antenna array broadside của thuê bao): ߠ௡,௠,஺௢஺ = ߠெௌ + ߜ௡,஺௢஺ + ߂௡,௠,஺௢஺ (Phương trình 3.18) Độ tăng ích của anten phụ thuộc vào những giá trị của đường truyền phụ là ܣ݋ܦ௦ và ܣ݋ܣ௦ 104 Đối với trạm gốc và thuê bao, các thông số tương ứng là ܩ஻ௌ(ߠ௡,௠,஺௢஽) và ܩெௌ(ߠ௡,௠,஺௢஺) Lưu ý: Đối với sự phát triển của các kênh truyền không gian, lưu ý các mối quan hệ được thống kê giữa các góc và năng lượng, trễ và năng lượng ߁஽ௌ = ఙ೟ೝễఙವೄ ߁஺ௌ = ఙಲ೚ವఙವೄ 3.5.7 Đề xuất các thông số cho thuê bao trong môi trường cell nhỏ - thành phố Môi trường đô thị microcell khác với môi trường macrocell Chỉ duy nhất N = 3 (thay cho 6) đường dẫn được mô hình hóa bởi vì trễ suy hao trong các cell nhỏ. Chính vì thế các bước trong phần này có trình tự và đặc điểm khác so với các bước trong cell lớn. - Bước 1: Lựa chọn môi trường cell nhỏ trong thành phố - Bước 2: Xác định khoảng cách thay đổi và các thông số định hướng - Bước 3: Xác định DS, AS và LN - Bước 4: Xác định các giá trị trễ ngẫu nhiên cho một trong các thành phần của N đường truyền Cho môi trường Microcell: N = 6, trễ ߬௡ : n = 1,…, N. PDP bao gồm 6 đường truyền riêng biệt được phân bố sau khoảng thời gian từ 0 đến 1,2 micrô giây. - Bước 5: Xác định giá trị năng lượng xấp xỉ cho một trong các thành phần của N đường truyền. PDP bao gồm 6 đường truyền riêng biệt được phân bố sau khỏang thời gian từ 0 đến 1,2 micrô giây Năng lượng trên mỗi đường truyền giảm dần theo hàm thời gian theo quy luật hàm mũ: giá trị này độc lập với trễ đường truyền. ௡ܲ = 10ିሺఛ೙ା ௓೙ሻ ߬௡: được xác định bằng micrô giây ܼ௡ (n = 1,…, N) - Bước 6: Xác định ܣ݋ܦ௦ cho một trong những thành phần của N đường truyền AoD (trong môi trường LOS): - 40௢ đến + 40௢ ߜ௡,஺௢஽ ~ U(- 40௢; ൅ 40௢) ; n = 1,…, N 105 Lưu ý: khác so với môi trường cell lớn, AoD không cần được phân loại trước khi được gán cho 1 giá trị năng lượng đường truyền - Bước 7: Liên quan giữa trễ đa đường và ܣ݋ܦ௦ - Bước 8: Xác định năng lượng, pha và bù AoD của M = 20 đường truyền phụ cho một trong N đường truyền tại trạm gốc. Giá trị bù được đưa ra trong bảng và kết quả góc AS trên mỗi đường dẫn là 2௢/ 1cell lớn - Bước 9: Xác định góc tới AoA cho một trong những thành phần đa đường: ߜ௡,஺௢஺ ~ η(0,ߜ௡,஺௢஺ଶ ) ; n = 1,…, N Với ߜ௡,஺௢஺ = 104.12ሾ1 െ ݁ݔ݌ሺെ0,265|10 logଵ଴ሺ ௡ܲሻ|ሻሿ Và ௡ܲ xác định từ bước 5 - Bước 10: Xác định bù góc tới của M = 20 đường truyền phụ cho một trong N đường truyền tại thuê bao - Bước 11: Mối quan hệ giữa các đường truyền và các đường truyền phụ của trạm gốc và thuê bao - Bước 12: Xác định độ tăng ích anten của trạm gốc và đường truyền phụ của thuê bao là ܣ݋ܦ௦ và ܣ݋ܣ௦ ࢤ࢔,࢓,࡭࢕ࡰ (độ) ࢤ࢔,࢓,࡭࢕ࡰ (độ) ࢤ࢔,࢓,࡭࢕࡭ (độ) 1,2 ± 0,0894 ± 0,2236 ± 1,5649 3,4 ± 0,2826 ± 0,7064 ± 4,9447 5,6 ± 0,4948 ± 1,2461 ± 8,7224 7,8 ± 0,7431 ± 1,8578 ± 13,0045 9,10 ± 1,0257 ± 2,5642 ± 17,9492 11,12 ± 1,3594 ± 3,3986 ± 23,7899 13,14 ± 1,7688 ± 4,4220 ± 30,9538 15,16 ± 2,2961 ± 5,7403 ± 40,1824 17,18 ± 3,3089 ± 7,5974 ± 53,1816 19,20 ± 4,3101 ± 10,7753 ± 75,4274 Bảng 3.12: Độ lệch đường truyền phụ góc lệch và góc tới 106 3.5.8 Tạo ra các hệ số kênh truyền Với các thông số đưa ra ở phần trên, chúng ta sử dụng để tạo ra các hệ số cho kênh truyền. Một thành phần S của chùm tia từ trạm gốc và một thành phần U của chùm tia của thuê bao, hệ số kênh truyền cho 1 trong những thành phần N đa đường được đưa ra bởi 1 “S – by – U” – ma trận biên độ Giá trị trên có ý nghĩa là: Ma trận kênh truyền cho n thành phần đa đường (n = 1,…, N) như ܪ௡ሺݐሻ được xác định từ công thức sau: ݄ሺ௦,௨,௡ሻሺ௧ሻ ൌ ඨ ௡ܲܯ ቎෍ ටܩ஻ௌ൫ߠ௡,௠,஺௢஽ ൯ ெ ௠ୀଵ ݁ݔ݌ ቀ݆݇݀௦ݏ݅݊൫ߠ௡,௠,஺௢஽ ൯ቁ · ටܩெௌ൫ߠ௡,௠,஺௢஺ ൯݁ݔ݌ൣ݆൫݇݀௨ sin൫ߠ௡,௠,஺௢஺൯ ൅ ߔ௡,௠൯൧቏ · ݁ݔ݌ൣ݆݇ԡݒԡܿ݋ݏ൫ߠ௡,௠,஺௢஺ െ ߠ௩൯ݐ൧ (Phương trình 3.19) là năng lượng của n đường truyền (Bước 5) M = số đường truyền phụ/đường truyền ߠ௡,௠,஺௢஽ là giá trị AoD của m đường truyền phụ trong n đường truyền (Bước 12) ߠ௡,௠,஺௢஺ là giá trị AoA của m đường truyền phụ trong n đường truyền (Bước 12) ܩ஻ௌሺߠ௡,௠,஺௢஽ ሻ là độ tăng ích của anten trạm gốc (Bước 12) ܩெௌሺߠ௡,௠,஺௢஺ ሻ là độ tăng ích của anten thuê bao (Bước 12) j với ݆ଶ = - 1 k là số sóng = ଶగఒ với λ là bước sóng của sóng mang (tính theo m) ݀௦ (m) là khoảng cách từ thành phần s của anten trạm gốc (tham khảo lấy giá trị s = 1) ; u = 1 thì ݀ଵ = 0 ݑ (m) là khoảng cách từ thành phần u của anten thuê bao (tham khảo lấy giá trị u = 1, ݀ଵ = 0 ) ߔ௡,௠: pha của m đường truyền phụ trong n đường truyền (Bước 8) ԡݒԡ : giá trị độ lớn vận tốc của thuê bao (Bước 2) ߠ௩ : góc của vectơ vận tốc (Bước 2) 107 a. Trong tầm nhìn thẳng Mô hình LOS có thể được lựa chọn cho vùng đô thị lớn hoặc nhỏ LOS không được lựa chọn trong trường hợp vùng ngoại ô - Đối với môi trường NLOS, nhân tố Rice được đặt = 0, do đó pha-đinh xác định là tổng hợp các đường truyền phụ (mô tả ở phần đầu của mô hình) Đối với môi trường LOS, nhân tố Rice K được dựa trên công thức K = 13 – 0,03.d (dB) (Foster 1994) Với d là khoảng cách giữa trạm gốc và thuê bao (m) - Đối với môi trường LOS hay NLOS phụ thuộc vào các yếu tố của môi trường bao gồm: Hướng tán xạ, street canyons và khoảng cách: P(LOS) = ቊ ଷ଴଴ ି ௗ ଷ଴଴ ; 0 ൏ ݀ ൏ 300݉ 0 ; ݀ ൐ 300݉ Thông số K được xác định bằng tỷ số năng lượng trong LOS trên tổng năng lượng tán xạ trong NLOS. Đường truyền LOS xảy ra cùng thời điểm với đường truyền tán xạ đầu tiên (sớm nhất). Khi ghép đôi các tia phụ giữa bên phát và bên thu, các thành phần trực tiếp được ghép đôi là biểu hiện cho đường truyền LOS b. Các tiêu chuẩn đối với vùng đô thị Khi mô hình cho vùng đô thị được lựa chọn, mô hình thay đổi giá trị AoA của đường truyền tới từng thuê bao, được sử dụng cho vùng đô thị lớn và nhỏ. Các tiêu chuẩn cho vùng đô thị tồn tại trong khu vực đô thị đông đúc và phục vụ cho các cell lớn và tại rooftop của các cell nhỏ. Các thông số sau xác định cho thiết bị đầu cuối của người sử dụng: 1) Xác định sự định hướng bất kỳ từ U(0,360௢) = sự định hướng của UE 2) Lựa chọn ngẫu nhiên sự định hướng cho anten của thuê bao từ U(0,360௢) 3) Giá trị α = 0,9 được đưa ra xác định trước tín hiệu của UE trong hiệu úng đối với vùng đô thị được lựa chọn đồng bộ ngẫu nhiên cho tham số β 4) Nếu β ≤ α, lựa chọn ܣ݋ܣ௦của UE cho tất cả các tín hiệu đến là bằng nhau Nếu β > α, lựa chọn hướng của tín hiệu tới cho tất cả đường truyền sử dụng chuẩn mô hình SCM cho AoA của UE được đưa ra ở phần đầu. 108 Hình 3.26 3.5.9 Định cỡ hệ thống theo mức Chip rate ở UMTS là 3,84 Mcps Với các giá trị đầu vào lựa chọn ngẫu nhiên ta có các giá trị đầu ra được đo lại như sau: Hình 3.27 109 Hình 3.28: Trễ trải Hình 3.29: Tôpô mạng: Có 5 tôpô mạng chính được sử dụng phổ biến trong hệ thống mạng hữu tuyến là: Tôpô bus, star, tree, ring, mesh. Tôpô mesh không có nhiều ưu điểm so với tôpô star ngoại trừ việc không cần một trạm gốc trung tâm 110 Hình 3.30: Tôpô Mesh Ưu điểm của tôpô mesh: giá rẻ, độ tin cậy cao khi sử dụng ở trong một tòa nhà, giữa các building hoặc trong một khu vực đô thị. [1] Ở tại một wireless node đều có AP (access point – điểm truy cập) và thiết bị định tuyến không dây (wireless router) tạo ra nhiều đường truyền cho tín hiệu vô tuyến. a. Loại đường truyền sử dụng trong hệ thống WiMax: Một hệ thống WiMax có thể sử dụng các kiểu kết nối sau: Point to point (điểm đến điểm) và Point to multipoint (điểm đến đa điểm) Hình 3.31: Tôpô điểm đến điểm 111 Băng tần sử dụng: Một số công nghệ không dây có thể được triển khai trên 4 băng tần, chưa đăng ký thành 2 băng là ISM (Industrial, Scientific, Medical – Công nghiệp, khoa học, y tế) và U_NII (Unlicensed National Information Infrastructure - Cơ sở hạ tầng thông tin quốc gia không cần đăng ký) Từ điểm đến đa điểm: giới hạn maximum power của anten là 1W Dải tần số (MHz) Băng thông (MHz) Năng lượng max của anten Max EIRP Chú giải 2400 – 2483,5 83,5 1 W (+30 dBm) 1 W (+30 dBm) 4W (+36dBm) Điểm đến điểm Điểm đến đa điểm theo quy tắc 3:1 5150 – 5250 100 50mW 200mW (+23dBm) Sử dụng trong nhà 5250 – 5350 100 250 mW (+24 dBm) 1W (+30 dBm) 5725 – 5825 100 1W (+30 dBm) 200W (+53 dBm) Bảng 3.13: Dải tần số và sự liên quan đến giới hạn năng lượng Năng lượng tại anten (mW) Năng lượng tại anten (dBm) Độ tăng ích lớn nhất của anten (dB) EIRP (watts) EIRP (dBm) 1000 30 6 4 36 500 27 9 4 36 250 24 12 4 36 125 21 16 4 36 63 18 19 4 36 31 15 21 4 36 15 12 24 4 36 8 9 27 4 36 4 6 30 4 36 Bảng 3.14: Từ điểm đến đa điểm: hoạt động ở băng tần: 2,4 GHz ISM 112 Năng lượng tại anten (mW) Năng lượng tại anten (dBm) Độ tăng ích lớn nhất của anten (dB) EIRP (watts) EIRP (dBm) 1000 30 6 4 36 794 29 9 6,3 38 631 28 12 10 40 500 27 15 16 42 398 25 18 25 44 316 25 21 39,8 46 250 24 24 63,1 48 200 23 27 100 50 157 22 30 157 52 Bảng 3.15: Từ điểm đến điểm: hoạt động ở băng tần: 2,4 GHz ISM Năng lượng tại anten (mW) Năng lượng tại anten (dBm) Độ tăng ích lớn nhất của anten (dB) EIRP (watts) EIRP (dBm) 1000 30 6 4 36 1000 30 9 8 39 1000 30 12 16 42 1000 30 15 316 45 1000 30 18 63,1 48 1000 30 21 125 51 1000 30 23 250 53 Bảng 3.16: Từ điểm đến điểm: hoạt động ở băng tần: 5,8 GHz U_NII 113 CHƯƠNG 4: ĐỊNH HƯỚNG QUY HOẠCH MẠNG INTERNET SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ WIMAX 4.1 Tính toán đường truyền Tính toán đường truyền là một phần cần thiết trong việc lập kế hoạch xây dựng mạng. Việc tính toán đường truyền giúp ta xác định quy mô của yêu cầu phủ sóng, dung lượng và yêu cầu về chất lượng dịch vụ của mạng Nếu xét riêng đối với một đường truyền WiMax, cần phải tính toán 2 quỹ kết nối là: + Kết nối từ trạm gốc tới thuê bao + Kết nối từ thuê bao tới trạm gốc Hình 4.1: Mô hình truyền và phát tín hiệu của một trạm WiMax Một quỹ kết nối được dựa trên: Tổng tăng ích và suy hao năng lượng phát (tính bằng dB) truyền giao cho bên thu. Để bên thu nhận được cường độ tín hiệu đủ lớn theo yêu cầu giá trị năng lượng tại phía thu phải tối thiểu bằng độ nhạy thu. • Năng lượng phát: Năng lượng phát đầu ra Năng lượng tăng ích của anten • Suy hao đường truyền: Trong môi trường bên ngoài trời, trong không gian tự do: 114 ܮ௣ = 20logd + 20logf + 36,6 dB (Phương trình 4.1) Với d tính theo m và f tính theo MHz Tại tần số 2,4 GHz ܮ௣ = 20logd + 40 dB Công thức trên đúng trong điều kiện LOS (tầm nhìn thẳng) Trong điều kiện trong nhà, công thức này phức tạp hơn và phụ thuộc vào nhiều thông số khác như: bản chất vật liệu, tính chất kết cấu, đồ đạc… Tại tần số 2,4 GHz: ܮ௣ = 55 dB + 0,3 dB/m Tại tần số 5,7 GHz: ܮ௣ = 63 dB + 0,3 dB/m • Tăng ích anten thu: Ở phía thu, cũng như anten phát, bổ sung thêm tăng ích cho quỹ đường truyền. Bổ sung thêm tăng ích cho một anten để cân bằng lượng tăng ích cho cả 2 phía phát và thu. • Dự trữ đường truyền: Giá trị dự trữ tổn hao (dB) khác giữa độ lớn của tín hiệu thu tại đầu vào thu và giá trị nhỏ nhất của tín hiệu được xác định để hoạt động ổn định. Những đường truyền có giá trị dự trữ tổn hao càng lớn thì càng tin cậy. Giá trị dự trữ tổn hao cần thiết phụ thuộc vào yêu cầu về độ tin cậy của đường truyền nhưng giá trị thích hợp nằm trong khoảng: 20 đến 30 dB. • Suy hao nhiễu xạ: Trong điều kiện tầm nhìn thẳng (LOS), giá trị của suy hao do nhiễu xạ có thể nhỏ hơn 6 dB. Ngược lại trong điều kiện tầm nhìn che khuất (NLOS) thì giá trị suy hao do nhiễu xạ có thể từ 20 đến 40 dB • Suy hao do cáp và điểm nối: Suy hao tại các đầu nối có thể xấp xỉ 0,5 dB trên một điểm nối Suy hao do cáp bao gồm: loại cáp, độ dày và chiều dài cáp 115 Loại cáp Tần số 2,4 GHz Tần số 5,8 GHz dB/100 ft dB/100 m dB/100 ft dB/100 m RG-58 32,2 105,6 51,6 169,2 RG-8X 23,1 75,8 40,9 134,2 LMR-240 12,9 42,3 20,4 66,9 RG213/214 15,2 49,9 28,6 93,8 9913 7,7 25,3 13,8 45,3 LMR-400 6,8 22,3 10,8 35,4 3/8”LDF 5,9 19,4 8,1 26,6 LMR-600 4,4 14,4 7,3 23,9 1/2”LDF 3,9 12,8 6,6 21,6 7/8”LDF 2,3 7,5 3,8 12,5 11/4”LDF 1,7 5,6 2,8 9,2 15/8”LDF 1,4 4,6 2,5 8,2 Bảng 4.1: Bảng mô tả các thông số suy hao do cáp ở dải tần số từ 2,4 đến 5,8 GHz Để tối ưu hóa làm sao cho giá trị suy hao do cáp là bé nhất nên đặt thiết bị thu phát vô tuyến càng gần anten càng tốt [5] • Suy hao do mưa và sương mù: Khi triển khai một hệ thống trong khu vực khí hậu có mưa và sương mù, cần phải tính thêm suy hao tín hiệu do mưa và sương mù Ví dụ: Ở tại băng tần 2,4 GHz: Suy hao 0,05 dB (0,08 dB/dặm) khi có mưa to (4 inches/giờ) Suy hao do sương mù dày gây ra: 0,02 dB/km (0,03 dB/dặm) Ở tại băng tần 5,8 GHz: Khi có mưa to gây ra suy hao: 0,5 dB/Km (0,8 dB/dặm) Suy hao do sương mù dày gây ra: 0,07 dB/Km (0,11 dB/dặm) • Suy hao do cây cối: Cây cối cũng là một nguồn gây ra suy hao đường truyền: Loại cây, cây khô hay ướt, mật độ cây….Là các thông số ảnh hưởng đến việc truyền tín hiệu. 116 Sự suy giảm tín hiệu phụ thuộc vào khoảng cách mà tín hiệu phải truyền qua và do đó phải tăng lên tần số cao. Ở tần số 2,4 GHz: suy hao do cây cối là 0,35 dB/m • Suy hao do vật liệu thủy tinh (Fiber glass): từ 0,5 đến 1 dB Kính: Kính cửa sổ gây suy hao là 3 dB ở tần số 2,4 GHz Hầu hết các loại kính không ảnh hưởng đến tín hiệu siêu cao tần, chỉ có một vài loại gây suy hao tín hiệu Ví dụ: Kính “High E glass” để giữ nhiệt gây suy hao cho tín hiệu của 2 chuẩn 802.11 và 802.16 Suy hao do các vật liệu của một tòa nhà được mô tả dưới bảng sau: Loại vật liệu Giá trị suy hao gây ra Tường gạch 2 dB Cửa sổ kính khung kim loại 6 dB Tường văn phòng 6 dB Cửa kim loại trong văn phòng 6 dB Tường gạch xỉ 4 dB Cửa kim loại ở tường gạch 12,4 dB Tường gạch kế bên cửa kim loại 3 dB Bảng 4.2: Thông số suy hao của các vật liệu 4.2 Nghiên cứu, khảo sát tổng quát về một site • Lập kế hoạch sử dụng tần số: Lựa chọn băng tần cho WiMax: Các băng được WiMax Forum tập trung xem xét và vận động cơ quan quản lý tần số các nước phân bổ cho WiMax là: 3600-3800 MHz, 3400-3600 MHz (băng 3,5 GHz), 3300-3400 MHz (băng 3,3 GHz), 2500-2690 MHz (băng 2,5 GHz), 2300- 2400MHz (băng 2,3 GHz), 5725-5850 MHz (băng 5,8 GHz) và băng 700-800 MHz (dưới 1 GHz). [11] 117 Băng 3400-3600 MHz (băng 3,5 GHz) Băng 3,5Ghz là băng tần đó được nhiều nước phân bổ cho hệ thống truy cập không dây cố định (Fixed Wireless Access – FWA) hoặc cho hệ thống truy cập không dây băng rộng (WBA). WiMax cũng được xem là một công nghệ WBA nên có thể sử dụng băng tần này cho WiMax. Vì vậy, WiMax Forum đó thống nhất lựa chọn băng tần này cho WiMax. Các hệ thống WiMax ở băng tần này sử dụng chuẩn 802.16-2004 để cung cấp các ứng dụng cố định và nomadic, độ rộng phân kênh là 3,5 MHz hoặc 7 MHz, chế độ song công TDD hoặc FDD. Một số nước quy định băng tần này chỉ dành cho các hệ thống cung cấp các dịch vụ cố định, không có ứng dụng nomadic, nên để triển khai được WiMax cần thiết phải sửa đổi lại quy định này. Đối với Việt Nam, do băng tần này được ưu tiên dành cho hệ thống vệ tinh Vinasat nên hiện tại không thể triển khai cho WiMax. Băng 3600-3800 MHz Băng 3600-3800 MHz được một số nước châu Âu xem xét để cấp cho WBA. Tuy nhiên, do một phần băng tần này (từ 3,7-3,8 GHz) đang được nhiều hệ thống vệ tinh viễn thông sử dụng (đường xuống băng C), đặc biệt là ở khu vực châu Á, nên ít khả năng băng tần này sẽ được chấp nhận cho WiMax ở châu Á. Băng 3300-3400 MHz (băng 3,3 GHz) Băng tần này đó được phân bổ ở Ấn Độ, Trung Quốc và Việt Nam đang xem xét phân bổ chính thức. Do Ấn Độ và Trung Quốc là hai thị trường lớn, nên dù chưa có nhiều nước cấp băng tần này cho WBA, nhưng thiết bị WiMax cũng đã được sản xuất. Chuẩn WiMax áp dụng ở băng tần này tương tự như với băng 3,5 GHz, đó là WiMax cố định, chế độ song công FDD hoặc TDD, độ rộng kênh 3,5 MHz hoặc 7MHz. Do Ấn Độ chỉ cho phép sử dụng đoạn băng tần 3316-3400 MHz, nên các thiết bị WiMax hiện tại cũng chỉ làm việc trong đoạn này với tối đa 2x9 kênh 3,5 MHz. Vì vậy, nếu cứ 4 nhà khai thác sử dụng băng tần này thì thường mỗi nhà khai thác chỉ được cấp sử dụng 2x2 kênh 3,5 MHz. Trong khi đó, theo ý kiến của các chuyên gia 118 Alvarion, một trong những hãng cung cấp thiết bị WiMax, thì để khai thác hiệu quả, mỗi nhà khai thác nên được cấp ít nhất 2x3 kênh 3,5 MHz. Băng 2500-2690MHz (băng 2,5 GHz) Băng tần này là băng tần được WiMax Forum ưu tiên lựa chọn cho WiMax di động theo chuẩn 802.16-2005. Có hai lý do cho sự lựa chọn này. Thứ nhất, so với các băng trên 3 GHz điều kiện truyền sóng của băng tần này thích hợp cho các ứng dụng di động. Thứ hai là khả năng băng tần này sẽ được nhiều nước cho phép sử dụng WBA bao gồm cả WiMax. WiMax ở băng tần này có độ rộng kênh là 5MHz, chế độ song công TDD, FDD. Băng tần này trước đây được sử dụng phổ biến cho các hệ thống truyền hình MMDS trên thế giới, nhưng do MMDS không phát triển nên Hội nghị Thông tin Vô tuyến thế giới năm 2000 (WRC-2000) đã xác định có thể sử dụng băng tần này cho hệ thống di động thế hệ 3 (3G hay IMT-2000 theo cách đặt tên của ITU). Tuy nhiên, khi nào IMT-2000 được triển khai ở băng tần này cũng chưa có câu trả lời rõ ràng. Vì vậy, hiện đã có một số nước như Mỹ, Brazil, Mexico, Singapore, Canada, Liên hiệp Anh (UK), Australia cho phép sử dụng một phần băng tần tần này cho WBA. Trung Quốc và Ân Độ cũng đang xem xét. Ví dụ, Singapore đã chia băng 2,5 GHz thành 15 khối 6 MHz cho WBA để đấu thầu, theo đó nhà khai thác được cung cấp các dịch vụ cố định, nomadic và di động, không yêu cầu phải sử dụng một công nghệ cụ thể nào. Các nhà khai thác trúng thầu có trách nhiệm tự phối hợp với nhau và với các nhà khai thác của các nước láng giềng để tránh can nhiễu. Tại Mỹ, Ủy ban Truyền thông Liên bang (FCC) chia băng 2,5 GHz thành 8 khối, mỗi nhà khai thác có thể được cấp 22,5 MHz, gồm một khối phổ có độ rộng 16,5 MHz kết hợp với khối 6 MHz. Do ITU xác định băng tần này cho IMT-2000, nên WiMax Forum đang có kế hoạch tham gia vào các nhóm nghiên cứu của ITU để thúc đẩy việc đưa chuẩn 802.16 thành một nhánh của họ tiêu chuẩn IMT-2000. Với Việt Nam, Quy hoạch phổ vô tuyến điện quốc gia được Thủ tướng Chính phủ phê duyệt cuối năm 2005 đã quy định băng tần 2500-2690 MHz sẽ được sử dụng cho các hệ thống thông tin di động thế hệ mới, không triển khai thêm các thiết bị khác trong băng tần này. Vì vậy, có thể hiểu công nghệ WiMax di động cũng là một 119 đối tượng của quy định này, nhưng băng tần này sẽ được sử dụng cho loại hình công nghệ cụ thể nào vẫn còn để mở. Băng 2300-2400 MHz (băng 2,3 GHz) Băng 2.3GHz cũng có đặc tính truyền sóng tương tự như băng 2,5 GHz nên là băng tần được WiMax Forum xem xét cho WiMax di động. Hiện có một số nước phân bổ băng tần này cho WBA như Hàn Quốc (triển khai WiBro), Úc, Mỹ, Canada, Singapore. Singapore đã cho đấu thầu 10 khối 5 MHz trong dải 2300-2350 MHz để sử dụng cho WBA với các điều kiện tương tự như với băng 2,5 GHz. Úc chia băng tần này thành các khối 7 MHz, không qui định cụ thể về công nghệ hay độ rộng kênh, ưu tiên cho ứng dụng cố định. Mỹ chia thành 5 khối 10 MHz, không qui định cụ thể về độ rộng kênh, cho phép triển khai cả TDD và FDD. Đối với Việt Nam, đây cũng là một băng tần có khả năng sẽ được sử dụng để triển khai WBA/WiMax. Băng 5725-5850 MHz (băng 5,8 GHz) Băng tần này được WiMax Forum quan tâm vì đây là băng tần được nhiều nước cho phép sử dụng không cần cấp phép và với công suất tới cao hơn so với các đoạn băng tần khác trong dải 5GHz (5125-5250 MHz, 5250-5350 MHz), vốn thường được sử dụng cho các ứng dụng trong nhà. Theo WiMax Forum thì băng tần này thích hợp để triển khai WiMax cố định, độ rộng phân kênh là 10 MHz, phương thức song công được sử dụng là TDD, không có FDD. Băng dưới 1 GHz Với các tần số càng thấp, sóng vô tuyến truyền lan càng xa, số trạm gốc cần sử dụng càng ít, tức mức đầu tư cho hệ thống thấp đi. Vì vậy, WiMax Forum cũng đang xem xét khả năng sử dụng các băng tần dưới 1 GHz, đặc biệt là băng 700-800 MHz. Hiện nay, một số nước đang thực hiện việc chuyển đổi từ truyền hình tương tự sang truyền hình số, nên sẽ giải phóng được một phần phổ tần sử dụng cho WBA/WiMax. Ví dụ, Mỹ đó cấp đoạn băng tần 699-741 MHz trước đây dùng cho kênh 52-59 UHF truyền hình và xem xét cấp tiếp băng 747-801 MHz (kênh 60-69 UHF truyền hình). Với Việt Nam, do đặc điểm có rất nhiều đài truyền hình địa phương nên các kênh trong giải 470- 806 MHz dành cho truyền hình được sử dụng dày đặc cho các hệ 120 thống truyền hình tương tự. Hiện chưa có lộ trình cụ thể nào để chuyển đổi các hệ thống truyền hình tương tự này sang truyền hình số, nên chưa thấy có khả năng có băng tần để cấp cho WBA/WiMax ở đây Nên ở đây ta có đưa ra một số băng tần giả sử cho WiMax: Ví dụ: Về kế hoạch sử dụng tần số: Tái sử dụng tần số ở băng tần 2,4 GHz Băng tần 2,4 GHz có 11 kênh rộng 22 MHz được xác định bằng các khoảng 5 MHz từ 2,412 đến 2,462 GHz Băng tần 2,4 GHz có 3 kênh không lặp (1, 6, 11) • Lựa chọn thiết bị: Một thông số rất quan trọng trong thiết bị vô tuyến là độ nhạy thu Độ lớn yêu cầu của tín hiệu trong tài liệu phải lớn nhiễu kênh truyền Ví dụ: Độ nhạy thu = -86 dBm là đạt yêu cầu Nhưng nếu giá trị này = -91 dBm thì tốt hơn Một thông số nữa là của đầu ra máy phát tính bằng mW hay dBm Điển hình giá trị này 20 mW (13 dBm) và 100 mW (20 dBm) Đó là thông số mong muốn để điều khiển năng lượng đầu ra để có thể giảm nhiễu. Sự kết hợp giữa độ nhạy thu và phát có ý nghĩa quan trọng 4.2 Quy hoạch mạng dựa trên các tiêu chí sau: b. Xác định kích cỡ mạng c. Quy hoạch lưu lượng và vùng phủ sóng d. Tối ưu hóa mạng a. Giai đoạn xác định kích cỡ mạng: Sẽ đưa ra dự tính số đài trạm, số trạm gốc, cấu hình các trạm gốc và các phần tử mạng khác trên cơ sở các yêu cầu nhà khai thác và truyền sóng trong khu vực Định cỡ phải thực hiện được các yêu cầu của nhà khai thác về vùng phủ, dung lượng và chất lượng phục vụ. Đồng thời xét đến tổn hao đường truyền. Định kích cỡ mạng là một quá trình mà thông qua đó ta có thể ước tính được các cấu hinh có thể có và số lượng thiết bị trên cơ sở các yêu cầu của nhà khai thác: + Các vùng phủ sóng + Thông tin kiểu vùng + Các điều kiện truyền sóng 121 Dung lượng: Phổ khả dụng, dự báo tăng thuê bao, thông tin về mật độ lưu lượng. Chất lượng dịch vụ: Xác suất phủ, Dung lượng, thông lượng của người sử dụng dạng đầu cuối. b. Quy hoạch dung lượng và vùng phủ sóng: Trong giai đoạn quy hoạch chi tiết cần có số liệu truyền sóng từ vùng được quy hoạch cùng với đánh giá mật độ người sử dụng và lưu lượng của người sử dụng. Kết quả nhận được từ quy hoạch vùng phủ và dung lượng là vị trí, cấu hình, thông số của trạm gốc e. Công cụ quy hoạch mạng: Ở các thế hệ thông tin di động thứ hai, quy hoạch chi tiết chủ yếu tập trung lên quy hoạch vùng phủ, Trong các hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3 hay các hệ thống thông tin vô tuyến khác cần phải phân tích dung lượng và quy hoạch nhiều chi tiết hơn việc chỉ đơn giản tối ưu vùng phục vụ. Và ở đây ta cũng phải xét tương tự đối với hệ thống WiMax. Công cụ sẽ hỗ trợ cho người quy hoạch tối ưu các cấu hình của vùng phủ, chọn anten, hướng anten và thậm chí cả vị trí đặt trạm để đáp ứng chất lượng dịch vụ, dung lượng và các yêu cầu dịch vụ. Để đạt được kết quả tối ưu, công cụ phải biết được các thuật toán quản lý tài nguyên vô tuyến để thực hiện các thao tác và đưa ra quyết định giống như ở mạng thực tế. Lặp lại đường lên, xuống: Mục đích là để ấn định các công suất phát trạm gốc phù hợp cho từng người sử dụng dịch vụ cho đến khi tín hiệu ở thuê bao đáp ứng được c. Tối ưu mạng: Là quá trình nhằm cải thiện chất lượng mạng tổng thể và đảm bảo các tài nguyên của mạng được sử dụng một cách hiệu quả hơn. Tối ưu mạng bao gồm phân tích về các cải thiện mạng về cấu hình và hiệu năng Quá trình chuyển đổi từ quy hoạch vùng phủ và dung lượng mạng chi tiết sang khai thác và tối ưu mạng diễn ra một cách liên tục Quản lý tài nguyên vô tuyến (RRM: radio resource management) RRM gồm: - Chuyển giao - Điều khiển công suất - Điều khiển cho phép 122 - Điều khiển tải - Các chức năng lập biểu gói Điều khiển công suất cần thiết để duy trì mức nhiễu tối thiểu trên giao diện vô tuyến và đảm bảo chất lượng yêu cầu của dịch vụ Chuyển giao để xử lý tính di động của thuê bao (đối với các thiết bị ứng dụng chuẩn WiMax di động 802.16e) khi thuê bao sử dụng thiết bị di chuyển từ vùng phủ sóng ô này sang vùng phủ sóng của ô khác Phân tích chất lượng mạng đưa ra một cái nhìn tổng quan về chất lượng và hiệu năng của mạng bao gồm: lập kế hoạch về trường hợp đo, đo tại hiện trường và đo bằng hệ thống quản lý mạng. Dựa theo cự ly, tổ chức viễn thông quốc tế chia làm 4 vùng: - Mạng khu vực cá nhân PAN, có cự ly từ 1m đến 10m. - Mạng cục bộ LAN từ 10m đến 100m - Mạng đo thị MAN từ 100m đến 50km. - Mạng khu vực rộng WAN trên 50km. Công nghệ truy nhập không dây được thiết kế để phù hợp với đặc điểm của từng vùng. Chẳng hạn như trong khu vực cá nhân PAN, thì công nghệ truy nhập siêu băng rộng UWB có mật độ phổ cực thấp, tốc độ truyền file rất nhanh, phù hợp với khu vực này. Hình 4.2: Kết hợp giữa WiMax và Wifi 123 Với cự ly xa hơn thì Wi-Fi và WiMax có ưu thế hơn. Cự ly thông tin của Wi-Fi là 900 m, tốc độ kết nối là 54 Mbit/s. Trong vùng đô thị MAN, thì WiMax với đặc điểm đã được phân tích ở trên có băng thông mềm dẻo từ 1,25 MHz đến 20 MHz tốc độ kết nối tới 75Mbit/s có khả năng làm việc đảm bảo QoS trong cự ly 15 km. Trong tương lai, mạng Wi-Fi kết hợp với mạng WiMax để nâng cao hiệu quả mạng truy cập không dây: Wi-Fi có tính cơ động, WiMax vươn tới cự ly xa. Đối với Hà Nội hiện tại các dịch vụ WiMax di động chưa triển khai được thực tế nhưng với sự phát triển của các trạm Wifi như hiện nay, khả năng triển khai theo hướng kết hợp giữa Wifi và WiMax sẽ mang tính khả quan nhất. 124 Kết luận Sau khoảng thời gian nghiên cứu và thực hiện đề tài, phần trình bày của em đưa ra khái niệm về công nghệ WiMax, nhấn mạnh các đặc điểm kĩ thuật nổi bật và từng bước xây dựng các tiêu chí cần thiết đối với vấn đề quy hoạch vùng phủ sóng cho mạng Internet không dây băng rộng sử dụng công nghệ WiMax. Phần trình bày đã khái quát chung được yêu cầu tính toán, bài toán công nghệ đồng thời chi tiết riêng các thông số mô phỏng thực tế với mong muốn truyền tải những khái niệm cũng như quá trình tính toán quy hoạch mạng. Hiện nay công nghệ WiMax đang trong quá trình nghiên cứu và phát triển, tùy vào đặc điểm của mỗi quốc gia, vùng địa lý, dân số, nhu cầu sử dụng v.v… sẽ có những giải pháp quy hoạch riêng. Xây dựng hệ thống WiMax cố định để kết hợp với hệ thống Wifi có sẵn đồng thời phát triển tiếp theo hướng chuẩn WiMax di động trong thời gian tới có thể sẽ là xu hướng chung và sẽ nhận được nhiều sự quan tâm từ các nhà cung cấp dịch vụ cũng như nhà quản lý. 125 Tài liệu tham khảo [1] Daniel Sweeny, WiMax operator manual, building 802.16 wireless network (Second edition), Apress, 2006. [2] WiMax forum, Mobile WiMax – part I: A technical overview and performance evaluation, WiMax forum, August 2006. [3] WiMax forum, Mobile WiMax – part II: A comparative analysis, WiMax forum, May 2006. [4] Ron Olexa, Implementing 802.11, 802.16 and 802.20 Wireless networks Planning, troubleshooting and operations; Newnes, 2005. [5] Frank Orhtman, WiMax handbook Building 802.16 Wireless Network, McGraw – Hill Communications, 2005. [6] Deepak pareek, WiMax: broadband access technology, IDEA group, 2006 [7] WiMax forum, WiMax’s technology for LOS and NLOS environment, WiMax forum, 2006. [2], [3], [7] available: [8] Raj jain, WiMax system modeling methodology; AAWG interim meeting, AT&T, NJ; WiMax forum , June 1, 2006 [9] IEEE, 802.16a Air interface for fixed broadband Wireless Access System, IEEE inc ; 1 Apirl 2003. [10] IEEE, 802.16e Air interface for fixed broadband Wireless Access System, IEEE inc; 28 February 2006. [11] Lê Văn Tuấn, Các băng tần WiMax, tạp chí BCVT, 26-10-2006 [12] Alvarion, Thị trường và hướng phát triển WiMax, tạp chí BCVT, 1-03-2007 [13] Đỗ Ngọc Anh, WiMax trong môi trường LOS và NLOS, tạp chí BCVT, 07-06- 2006 [14] Đỗ Ngọc Anh, WiMax di động – Tổng quan kỹ thuật đánh giá, tạp chí BCVT, 03-11-2006 [11], [12], [13], [14] available: