Thiết kế hệ thống GSM

Thay đổi công suất máy phát nhằm thay đổi kích thước cell theo phân bố mật độ thuê bao, nhu cầu thuê bao theo từng vùng cụ thể. Khi thuê bao di động di chuyển từ cell này sang cell khác, cuộc đàm thoại của họ sẽ được giữ nguyên liên tục, không gián đoạn. Tần số sử dụng ở cell này có thể được sử dụng lại ở cell khác với khoảng cách xác định giữa hai cell. 1.2 Cấu trúc hệ thống thoại di động trước đây Dịch vụ thoại di động truyền thống được cấu trúc giống như hệ thống truyền hình phát thanh quảng bá: Một trạm phát sóng công suất mạnh đặt tại một cao điểm có thể phát tín hiệu trong vòng bán kính đến 50km. 1.3 Hệ thống thông tin di động tế bào Khái niệm mạng tổ ong đã cấu trúc lại hệ thống thông tin di động theo cách khác. Thay vì sử dụng một trạm công suất lớn, người ta sử dụng nhiều trạm công suất nhỏ trong vùng phủ sóng được ấn định trước. Lấy ví dụ, bằng cách phân chia một vùng trung tâm thành 100 vùng nhỏ hơn (các tế bào), mỗi cell sử dụng một máy phát công suất thấp với khả năng cung cấp 12 kênh thoại cho mỗi máy. Khi đó năng lực của hệ thống về lý thuyết có thể tăng từ 12 kênh thoại sử dụng một máy phát công suất lớn lên đến 1200 kênh thoại bằng cách sử dụng 100 máy phát công suất thấp. Như vậy là dung lượng hệ thống đã tăng lên rất nhiều. Bằng cách giảm bán kính của vùng phủ sóng đi 50% (diện tích vùng phủ sóng giảm 4 lần), nhà cung cấp dịch vụ có thể tăng khả năng phục vụ lên 4 lần. Hệ thống được triển khai trên vùng có bán kính 1 Km có thể cung cấp số kênh lớn hơn gấp 100 lần so với hệ thống triển khai trên vùng có bán kính 10 Km. Từ thực tế rút ra kết luận rằng, bằng cách giảm bán kính vùng đi vài trăm mét thì nhà cung cấp có thể phục vụ thêm vài triệu cuộc gọi. Hình 1.2: Hệ thống thông tin di động sử dụng cấu trúc tế bào Khái niệm cell (tế bào) được sử dụng với các mức công suất thấp khác nhau, nó cho phép các cell (các tế bào) có thể thay đổi vùng phủ sóng tuỳ theo mật độ, nhu cầu của thuê bao trong một vùng nhất định. Các cell có thể được thêm vào từng vùng tuỳ theo sự phát triển của thuê bao trong vùng đó. Tần số ở cell này có thể được tái sử dụng ở cell khác, các cuộc điện thoại vẫn được duy trì liên tục khi thuê bao di chuyển từ cell này sang cell khác. CHƯƠNG 2: QUY HOẠCH CELL Khái niệm tế bào (Cell) Cell (tế bào hay ô): là đơn vị cơ sở của mạng, tại đó trạm di động MS tiến hành trao đổi thông tin với mạng qua trạm thu phát gốc BTS. BTS trao đổi thông tin qua sóng vô tuyến với tất cả các trạm di động MS có mặt trong Cell. Hình 2.1 Khái niệm Cell Hình 2.2 Khái niệm về biên giới của một Cell Trên thực tế, hình dạng của cell là không xác định. Việc quy hoạch vùng phủ sóng cần quan tâm đến các yếu tố địa hình và mật độ thuê bao, từ đó xác định số lượng trạm gốc BTS, kích thước cell và phương thức phủ sóng thích hợp. Kích thước cell và phương thức phủ sóng Kích thước Cell Cell lớn: Bán kính phủ sóng khoảng: n km ¸ n*10 km (GSM: £ 35 km) Vị trí thiết kế các Cell lớn: Sóng vô tuyến ít bị che khuất (vùng nông thôn, ven biển… ) Mật độ thuê bao thấp. Yêu cầu công suất phát lớn. Cell nhỏ: Bán kính phủ sóng khoảng: n*100 m. (GSM: £ 1 km) Vị trí thiết kế các Cell nhỏ: Sóng vô tuyến bị che khuất (vùng đô thị lớn). Mật độ thuê bao cao. Yêu cầu công suất phát nhỏ. Có tất cả bốn kích thước cell trong mạng GSM đó là macro, micro, pico và umbrella. Vùng phủ sóng của mỗi cell phụ thuộc nhiều vào môi trường. Macro cell được lắp trên cột cao hoặc trên các toà nhà cao tầng. Micro cell lại được lắp ở các khu thành thị, khu dân cư. Pico cell thì tầm phủ sóng chỉ khoảng vài chục mét trở lại nó thường được lắp để tiếp sóng trong nhà. Umbrella lắp bổ sung vào các vùng bị che khuất hay các vùng trống giữa các cell. Bán kính phủ sóng của một cell tuỳ thuộc vào độ cao của anten, độ lợi anten thường thì nó có thể từ vài trăm mét tới vài chục km. Trong thực tế thì khả năng phủ sóng xa nhất của một trạm GSM là 32 km (22 dặm). Một số khu vực trong nhà mà các anten ngoài trời không thề phủ sóng tới như nhà ga, sân bay, siêu thị... thì người ta sẽ dùng các trạm pico để chuyển tiếp sóng từ các anten ngoài trời vào. Phương thức phủ sóng Hình dạng của cell trong mỗi một sơ đồ chuẩn phụ thuộc vào kiểu anten và công suất ra của mỗi một BTS. Có hai loại anten thường được sử dụng: anten vô hướng (omni) là anten phát đẳng hướng, và anten có hướng là anten bức xạ năng lượng tập trung trong một rẻ quạt (sector). Phát sóng vô hướng – Omni directional Cell (3600) Anten vô hướng hay 3600 bức xạ năng lượng đều theo mọi hướng. Hình 2.3 Omni (3600) Cell site Khái niệm Site: Site được định nghĩa là vị trí đặt trạm BTS. Với Anten vô hướng: 1 Site = 1 Cell 3600 Phát sóng định hướng – Sectorization: Lợi ích của sectorization (sector hóa): Cải thiện chất lượng tín hiệu (Giảm can nhiễu kênh chung). Tăng dung lượng thuê bao. Hình 46 Sector hóa 1200 Với Anten định hướng 1200: 1 Site = 3 Cell 1200 Chia cell (Cells splitting) Một cell với kích thước càng nhỏ thì dung lượng thông tin càng tăng. Tuy nhiên, kích thước nhỏ đi có nghĩa là cần phải có nhiều trạm gốc hơn và như thế chi phí cho hệ thống lắp đặt trạm cũng cao hơn. Khi hệ thống bắt đầu được sử dụng số thuê bao còn thấp, để tối ưu thì kích thước cell phải lớn. Nhưng khi dung lượng hệ thống tăng thì kích thước cell cũng phải giảm đi để đáp ứng với dung lượng mới. Phương pháp này gọi là chia cell. Tuy nhiên, sẽ không thực tế khi người ta chia nhỏ toàn bộ các hệ thống ra các vùng nhỏ hơn nữa và tương ứng với nó là các cells. Nhu cầu lưu lượng cũng như mật độ thuê bao sử dụng giữa các vùng nông thôn và thành thị có sự khác nhau nên đòi hỏi cấu trúc mạng ở các vùng đó cũng khác nhau. Các nhà quy hoạch sử dụng khái niệm cells splitting để phân chia một khu vực có mật độ thuê bao cao, lưu lượng lớn thành nhiều vùng nhỏ hơn để cung cấp tốt hơn các dịch vụ mạng. Ví dụ các thành phố lớn được phân chia thành các vùng địa lý nhỏ hơn với các cell có mức độ phủ sóng hẹp nhằm cung cấp chất lượng dịch vụ cũng như lưu lượng sử dụng cao, trong khi khu vực nông thôn nên sử dụng các cell có vùng phủ sóng lớn, tương ứng với nó số lượng cell sẽ sử dụng ít hơn để đáp ứng cho lưu lượng thấp và số người dùng với mật độ thấp hơn. Hình 2.4 Phân chia Cell Đứng trên quan điểm kinh tế, việc hoạch định cell phải bảo đảm lưu lượng hệ thống khi số thuê bao tăng lên, đồng thời chi phí phải là thấp nhất. Thực hiện được điều này thì yêu cầu phải tận dụng được cơ sở hạ tầng của đài trạm cũ. Để đáp ứng được yêu cầu này, người ta sử dụng phương pháp giảm kích thước cell gọi là tách cell (cells splitting).Theo phương pháp này việc hoạch định được chia thành các giai đoạn sau: 2.4.1 Giai đoạn 0 (phase 0): Khi mạng lưới mới được thiết lập, lưu lượng còn thấp, số lượng đài trạm còn ít, mạng thường sử dụng các “omni cell” với các anten vô hướng, phạm vi phủ sóng rộng. Hình 2.5 Các Omni (3600) Cells ban đầu Khi mạng được mở rộng, dung lượng sẽ tăng lên, để đáp ứng được điều này phải dùng nhiều sóng mang hơn hoặc sử dụng lại những sóng mang đã có một cách thường xuyên hơn. Tuy nhiên, mọi sự thay đổi trong quy hoạch cấu trúc tần số phải gắn liền với việc quan tâm tới tỉ số C/I. Các tần số không thể được ấn định một cách ngẫu nhiên cho các cell. Để thực hiện được điều này, phương pháp phổ biến là chia cell theo thứ tự. 2.4.2 Giai đoạn 1 (Phase 1): Sector hóa Thay anten vô hướng (omni) bằng 3 anten riêng biệt định hướng dải quạt 1200 là một giải pháp tách chia một Cell thành 3 Cells. Đó là giải pháp dải quạt hóa (sectorization – sector hóa). Cách làm này không đòi hỏi thêm mặt bằng cho các Cell mới. Tuy các Cell mới phân biệt nhau theo chức năng mạng nhưng chúng vẫn ở tại mặt bằng cũ. Khi đó, tại mỗi vị trí cũ (Site) bây giờ có thể phục vụ được 3 cell mới, những cell này nhỏ hơn và có 3 anten định hướng được đặt ở vị trí này, góc giữa các anten này là 1200. Hình 2.6 Giai đoạn 1 :Sector hóa 2.4.3 Giai đoạn 2: Tách chia nhỏ hơn nữa về sau Tách chia Cell 1:3 thêm lần nữa Hình 4.10 trình bày việc tách chia 3 thêm lần nữa. Lần tách này sử dụng lại mặt bằng cũ và thêm mới gấp đôi mặt bằng mới cho các BTS mới. Ở mặt bằng cũ, anten cần quay đi 300 ngược chiều kim đồng hồ. Như vậy tổng số mặt bằng gấp 3 lần mặt bằng cũ để trả giá cho sự tăng dung lượng mạng lên gấp 3 lần. Hình 2.7 Tách chia 1:3 thêm lần nữa Tách chia 1:4 (sau lần đầu chia 3) Hình 2.8 Tách chia 1:4 (sau lần đầu chia 3) Sự tách chia này không đòi hỏi xoay hướng anten ở tất cả các BTS có mặt bằng cũ. Vị trí BTS mặt bằng mới được biểu thị trên hình vẽ 4.11. Số lần sử dụng lại tần số, dung lượng hệ thống và số lượng mặt bằng BTS đều tăng 4 lần so với trước khi chia tách. Tùy theo yêu cầu về dung lượng hệ thống, việc chia cell có thể được thực hiện tiếp tục. Tuy nhiên, mọi sự thay đổi trong quy hoạch cấu trúc tần số phải gắn liền với việc quan tâm tới tỉ số nhiễu C/I. Bây giờ ta hãy xét một ví dụ để thấy được sự tăng dung lượng khi thu hẹp kích thước cell. Giả thiết rằng hệ thống có 24 tần số và chúng ta bắt đầu từ một cụm 7 cell có bán kính cực đại 14 km. Sau đó chúng ta thực hiện các giai đoạn 1 tách 3 và 1 tách 4. Cũng giả thiết rằng một thuê bao có lưu lượng 0,02 Erlang với mức độ phục vụ GoS = 5%. Với 24 tần số, nghĩa là số kênh logic của hệ thống sẽ là: 24 x 8 = 192 kênh Trong giai đoạn thứ nhất, khi 1 cụm (số nhóm tần số) là N = 7, thì số kênh lưu lượng TCH cho mỗi cell là: (192 - 2 x7 )/7 = 178/7 = 25 TCH Trong giai đoạn tiếp theo, khi một cụm có N = 21. Số kênh lưu lượng cho mỗi cell là: (192 - 21)/21 = 171/21 = 8 TCH Trong giai đoạn thứ nhất, ta phải sử dụng 2 kênh cho việc điều khiển. Trong các giai đoạn tiếp theo ta chỉ cần dành 1 kênh cho việc điều khiển là đủ. Căn cứ bảng Erlang ta sẽ có bảng thống kê về mật độ lưu lượng qua các bước tách cell như sau: Giai đoạn Bán kính ô N TCH mỗi ô Phạm vi ô Số thuê bao/ 1 ô Số thuê bao/km2 Hiệu quả trung kế 0 14 km 7 25 499,2km2 999 2,0 76% 1 8 km 21 8 166,4km2 227 1,4 54% 2 4 km 21 8 41,6 km2 227 5,5 54% 3 2 km 21 8 10,4 km2 227 21,8 54% Từ bảng ta thấy, trong lần tách thứ nhất, dung lượng bị giảm (số thuê bao trên 1 km2 giảm từ 2 xuống còn 1,4) là do hiệu suất trung kế bị giảm khi số kênh trên một cell ít đi. Tuy nhiên, đây là một bước không thể thiếu được để thực hiện các bước tiếp theo. Đối với các bước tiếp theo là qui trình 1 tách 4, bán kính cell giảm 2 lần, nhưng dung lượng tăng 4 lần. Như vậy, ta thấy rằng biện pháp “cell split” làm giảm kích thước của cell. Nhưng cũng làm tăng dung lượng hệ thống. Biện pháp này phải được áp dụng theo từng giai đoạn phát triển của mạng. Tuy nhiên, biện pháp này cũng có một số hạn chế bởi kích thước cell cũng có giới hạn (giới hạn trên là do công suất bức xạ của BTS và MS có hạn, giới hạn dưới là do vấn đề nhiễu). Đồng thời việc lắp đặt các vị trí trạm mới đòi hỏi kinh phí lớn, việc khảo sát để chọn được những vị trí thích hợp cũng gặp nhiều khó khăn (nhà trạm đặt thiết bị, xây dựng cột anten, mạng điện lưới thuận tiện...) Để giải quyết vấn đề dung lượng ở những khu vực có mật độ rất cao mà các biện pháp trên không giải quyết được, thì việc sử dụng các “minicell” và các “microcell” sẽ trở nên phổ biến với phạm vi phủ sóng nhỏ, công suất bức xạ của BTS (thường là các trạm Repeater) thấp. CHƯƠNG 3: QUY HOẠCH TẦN SỐ Ngày nay các nhà cung cấp dịch vụ di động GSM sử dụng hai dải tần số, đó là GSM 900 và GSM 1800. Một số quốc gia ở Châu Mỹ thì sử dụng băng 850 Mhz và 1900 Mhz do băng 900 Mhz và 1800 Mhz ở đây đã được sử dụng trước đó. Dải tần số dùng cho GSM 900 là 890 ÷ 960 MHz, gồm 124 tần số sóng mang với mỗi hướng: Uplink: 890 ~ 915 MHz và Downlink: 935~960 MHz. Dải tần số dùng cho GSM 1800 là 1710 ÷ 1880 MHz, gồm 374 tần số sóng mang với mỗi hướng: Uplink: 1710~1785 MHz và Downlink: 1805~1880 MHz. Hiện nay, tại Việt Nam đang có 3 nhà cung cấp dịch vụ di động GSM đó là Vinaphone, Mobiphone, Viettel, cùng đồng thời hoạt động, nên dải tần số hạn hẹp phải chia sẻ đều cho cả 3 mạng. Với mạng di động VMS-Mobifone dải tần được ấn định cho mạng như sau: GSM 900: Dải tần sử dụng trong VMS là 41 tần số từ kênh 84 đến 124 tương ứng với: Uplink: 906,6 MHz ¸ 914,8 MHz. Downlink: 951,6 MHz ¸ 959,8 MHz. GSM 1800: Dải tần sử dụng trong VMS là từ kênh 579 đến 644 tương ứng với: Uplink: 1723,6 MHz ¸ 1736,6 MHz. Downlink: 1818,6 MHz ¸ 1831,6 MHz. Tài nguyên tần số có hạn trong khi số lượng thuê bao thì ngày càng tăng lên, nên việc sử dụng lại tần số là điều tất yếu. Tuy nhiên, khi sử dụng lại tần số thì vấn đề nhiễu đồng kênh xuất hiện. Do đó cần có sự hoạch định tần số tốt để tối thiểu hóa ảnh hưởng của nhiễu tới chất lượng của hệ thống. Tái sử dụng tần số Một hệ thống tổ ong là dựa trên việc sử dụng lại tần số. Nguyên lý cơ bản khi thiết kế hệ thống tổ ong là các mẫu sử dụng lại tần số. Theo định nghĩa sử dụng lại tần số là việc sử dụng các kênh vô tuyến ở cùng một tần số mang để phủ sóng cho các vùng địa lý khác nhau. Các vùng này phải cách nhau một cự ly đủ lớn để mọi nhiễu giao thoa đồng kênh (có thể xảy ra) chấp nhận được. Tỉ số sóng mang trên nhiễu C/I phụ thuộc vào vị trí tức thời của thuê bao di động do địa hình không đồng nhất, số lượng và kiểu tán xạ. Mảng mẫu (Cluster) Cluster là một nhóm các cell. Các kênh không được tái sử dụng tần số trong một cluster. Nhà khai thác mạng được giấy phép sử dụng một số có hạn các tần số vô tuyến. Việc quy hoạch tần số, ta phải sắp xếp thích hợp các tần số vô tuyến vào một mảng mẫu sao cho các mảng mẫu sử dụng lại tần số mà không bị nhiễu quá mức. Hình 4.1 mô tả cách phủ sóng bằng mảng mẫu gồm 7 cell đơn giản. Hình 31 Mảng mẫu gồm 7 cells Cự ly dùng lại tần số Ta biết rằng sử dụng lại tần số ở các cell khác nhau thì bị giới hạn bởi nhiễu đồng kênh C/I giữa các cell đó nên C/I sẽ là một vấn đề chính cần được quan tâm. Dễ dàng thấy rằng, với một kích thước cell nhất định, khoảng cách sử dụng lại tần số phụ thuộc vào số nhóm tần số N. Nếu N càng lớn, khoảng cách sử dụng lại tần số càng lớn và ngược lại. Ta có công thức tính khoảng cách sử dụng lại tần số: D = R* (trong đó: R là bán kính cell) Hình 32 Khoảng cách tái sử dụng tần số Tính toán C/I Đồng thời ta có công thức tính tỉ số C/I như sau: Hình 33 Sơ đồ tính C/I P là vị trí của MS thuộc cell A, chịu ảnh hưởng nhiễu kênh chung từ cell B là lớn nhất. Tại vị trí P (vị trí máy di động MS) có: C.a.Rx = I .a.(D-R)x Þ = = = (-1)x Trong đó: x là hệ số truyền sóng, phổ biến nằm trong khoảng từ 3 đến 4 đối với hầu hết các môi trường. Þ = 10*lg(-1)x Số cell (N) Kích thước mảng Tỉ số C/I (dB) x 3,0 3,5 4,0 3 9,0 10,5 12,0 4 11,7 13,7 15,6 7 16,6 19,4 22,2 9 18,7 21,8 24,9 12 21,0 24,5 28,0 21 25,2 29,4 33,6 Bảng quan hệ N & C/I Để xác định vị trí của các cell đồng kênh ta sử dụng công thức: N = i2 + i.j + j2. (i; j nguyên) Theo công thức này: di chuyển từ cell thứ nhất đi i cell theo một hướng, sau đó quay đi 600 và di chuyển đi j cell theo hướng này. Hai cell đầu và cuối của quá trình di chuyển này la hai cell đồng kênh. Phân bố tỉ số C/I cần thiết để hệ thống có thể xác định số nhóm tần số N mà ta có thể sử dụng. Nếu toàn bộ số kênh quy định å được chia thành N nhóm thì mỗi nhóm sẽ chứa (å /N) kênh. Vì tổng số kênh å là cố định nên số nhóm tần số N nhỏ hơn sẽ dẫn đến nhiều kênh hơn ở một nhóm và một đài trạm. Vì vậy, việc giảm số lượng các nhóm tần số sẽ cho phép mỗi đài trạm tăng lưu lượng nhờ đó sẽ giảm số lượng các đài trạm cần thiết cho tải lưu lượng định trước. Các mẫu tái sử dụng tần số Ký hiệu tổng quát của mẫu sử dụng lại tần số: Mẫu M /N Trong đó: M = tổng số sites trong mảng mẫu N = tổng số cells trong mảng mẫu Ba kiểu mẫu sử dụng lại tần số thường dùng là: 3/9, 4/12 và 7/21. 4.2.1 Mẫu tái sử dụng tần số 3/9 Mẫu tái sử dụng lại tần số 3/9 có nghĩa các tần số sử dụng được chia thành 9 nhóm tần số ấn định trong 3 vị trí trạm gốc (Site). Mẫu này có khoảng cách giữa các trạm đồng kênh là D = 5,2R. Các tần số ở mẫu 3/9 (giả thiết có 41 tần số từ các kênh 84 đến 124 - là số tần số sử dụng trong mạng GSM900 của VMS): Ấn định tần số A1 B1 C1 A2 B2 C2 A3 B3 C3 BCCH 84 85 86 87 88 89 90 91 92 TCH1 93 94 95 96 97 98 99 100 101 TCH2 102 103 104 105 106 107 108 109 110 TCH3 111 112 113 114 115 116 117 118 119 TCH4 120 121 122 123 124 Ta thấy mỗi cell có thể phân bố cực đại đến 5 sóng mang. Như vậy, với khái niệm về kênh như đã nói ở phần trước thì phải dành một khe thời gian cho BCH, một khe thời gian cho SDCCH/8. Vậy số khe thời gian dành cho kênh lưu lượng của mỗi cell còn (5 x 8 – 2) = 38 TCH. Tra bảng Erlang-B (Phụ lục), tại GoS 2 % thì một cell có thể cung cấp dung lượng 29,166 Erlang. Giả thiết trung bình mỗi thuê bao trong một giờ thực hiện 1 cuộc gọi kéo dài 120s tức là trung bình mỗi thuê bao chiếm 0,033 Erlang, thì mỗi cell có thể phục vụ được 29,166/0,033 = 833 (thuê bao). Hình 34 Mẫu tái sử dụng lại tần số 3/9 Theo lý thuyết, cấu trúc mảng 9 cells có tỉ số C/I > 9 dB đảm bảo GSM làm việc bình thường. Tỉ số C/A cũng là một tỉ số quan trọng và người ta cũng dựa vào tỉ số này để đảm bảo rằng việc ấn định tần số sao cho các sóng mang liền nhau không nên được sử dụng ở các cell cạnh nhau về mặt địa lý. Tuy nhiên, trong hệ thống 3/9 các cell cạnh nhau về mặt địa lý như A1 & C3, C1 & A2, C2 & A3 lại sử dụng các sóng mang liền nhau. Điều này chứng tỏ rằng tỉ số C/A đối với các máy di động hoạt động ở biên giới giữa hai cell A1 và C3 là 0dB, đây là mức nhiễu cao mặc dù tỉ số này là lớn hơn tỉ số chuẩn của GSM là (- 9 dB). Việc sử dụng các biện pháp như nhảy tần, điều khiển công suất động, truyền dẫn gián đoạn là nhằm mục đích giảm tối thiểu các hiệu ứng này. Mẫu tái sử dụng tần số 4/12 Mẫu sử dụng lại tần số 4/12 có nghĩa là các tần số sử dụng được chia thành 12 nhóm tần số ấn định trong 4 vị trí trạm gốc. Khoảng cách giữa các trạm đồng kênh khi đó là D = 6R. Các tần số ở mẫu 4/12: Ấn định tần số A1 B1 C1 D1 A2 B2 C2 D2 A3 B3 C3 D3 BCCH 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 TCH1 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 TCH2 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 TCH3 120 121 122 123 124 Ta thấy mỗi cell có thể phân bố cực đại là 4 sóng mang. Như vậy, với khái niệm về kênh như đã nói ở phần trước, một khe thời gian dành cho kênh BCH, một khe thời gian dành cho kênh SDCCH/8. Vậy số khe thời gian dành cho kênh lưu lượng của mỗi cell còn (4 x 8 – 2) = 30 TCH. Tra bảng Erlang-B ( Phụ lục ), tại GoS = 2 % thì mỗi cell có thể cung cấp dung lượng 21,932 Erlang. Giả sử mỗi thuê bao chiếm 0,033 Erlang thì mỗi cell có thể phục vụ được 21,932/0,033 = 664 thuê bao. Trong mẫu 4/12 số lượng các cell D sắp xếp theo các cách khác nhau để nhằm phục vụ cho các cell A,B,C. Hiệu quả của việc điều chỉnh này là để đảm bảo hai cell cạnh nhau không sử dụng hai sóng mang liền nhau (khác với mẫu 3/9). Với mẫu này, khoảng cách tái sử dụng tần số là lớn hơn. Hình 35 Mẫu tái sử dụng lại tần số 4/12 Về lý thuyết, cụm 12 cells có tỉ số C/I > 12 dB. Đây là tỉ số thích hợp cho phép hệ thống GSM hoạt động tốt. Tuy nhiên, mẫu 4/12 có dung lượng thấp hơn so với mẫu 3/9 vì: a) Số lượng sóng mang trên mỗi cell ít hơn (mỗi cell có 1/12 tổng số sóng mang thay vì 1/9). b) Hệ số sử dụng lại tần số thấp hơn (đồng nghĩa với khoảng cách sử dụng lại là lớn hơn). Mẫu tái sử dụng tần số 7/21 Mẫu 7/21 có nghĩa là các tần số sử dụng được chia thành 21 nhóm ấn định trong 7 trạm gốc. Khoảng cách giữa các trạm đồng kênh là D = 7,9R. Các tần số ở mẫu 7/21: Hình 36 Mẫu tái sử dụng tần số 7/21 Ta thấy mỗi cell chỉ được phân bố tối đa 2 sóng mang. Như vậy với khái niệm về kênh như đã nói ở phần trước. Phải có một khe thời gian dành cho BCH và có ít nhất một khe thời gian dành cho SDCCH, số khe thời gian dành cho kênh lưu lượng của mỗi cell còn (2 x 8 – 2) = 14 TCH . Tra bảng Erlang-B (Phụ lục), tại GoS = 2 % thì mỗi cell có thể cung cấp một dung lượng 8,2003 Erlang. Giả sử mỗi thuê bao chiếm 0,033 Erlang, như vậy một cell có thể phục vụ được 8,2003/0,033 = 248 thuê bao. Nhận xét: Khi số nhóm tần số N giảm (21, 12, 9), nghĩa là số kênh tần số có thể dùng cho mỗi trạm (å /N) tăng thì khoảng cách giữa các trạm đồng kênh D sẽ giảm 7,9R; 6R; 5,2R. Điều này nghĩa là số thuê bao được phục vụ sẽ tăng lên là: 248; 664 và 883, nhưng đồng thời nhiễu trong hệ thống cũng tăng lên. Như vậy, việc lựa chọn mẫu sử dụng lại tần số phải dựa trên các đặc điểm địa lý vùng phủ sóng, mật độ thuê bao của vùng phủ và tổng số kênh å của mạng. Mẫu 3/9: số kênh trong một cell là lớn, tuy nhiên khả năng nhiễu cao. Mô hình này thường được áp dụng cho những vùng có mật độ máy di động cao. Mẫu 4/12: sử dụng cho những vùng có mật độ lưu lượng trung bình. Mẫu 7/21: sử dụng cho những khu vực mật độ thấp. Thay đổi quy hoạch tần số theo phân bố lưu lượng Thay đổi quy hoạch tần số Sự phân bố lưu lượng Sự thay đổi lưu lượng và hiệu ứng điểm nóng (hotspot) hình thành nhu cầu tăng thêm kênh tần số ở một cell nào đó. Khi đó người ta nghĩ ngay đến khả năng lấy kênh tần số ở cell nào có lưu lượng rất nhỏ để thêm vào cho cell nào có lưu lượng quá lớn. Tuy nhiên, việc làm này phá hỏng quy hoạch tần số và mang lại can nhiễu quá mức cho phép nếu như việc thực thi không đúng khoa học. Hình 37 Thay đổi quy hoạch tần số Hình 4.18 biểu thị một tình huống như vậy: Đây là mẫu tái sử dụng tần số 4/12. Tại mảng mẫu X, cell D1 cần 3 kênh tần số để đảm bảo lưu lượng, trong khi cell C3 chỉ cần 1 kênh tần số để đáp ứng lưu lượng tại thời điểm đang xét. Tại cell C3, có hai kênh tần số 94 và 106, như vậy nên chọn tải tần 94 hay 106 để chuyển sang D1 ? Ảnh hưởng tới Cell D1 và cell D3 là hai cell liền kề. Mà tải tần 94, 106 của cell C3 liền kề với tải tần 95, 107 của cell D3. Chính vì vậy, chọn tải tần nào dù là 94 hay 106 để đưa sang D1 thì đều làm tăng can nhiễu kênh kề, đối với MS ở biên giới D1 và D3 thì tỉ số của chúng gần bằng 0 dB. Ảnh hưởng tới Nếu chọn tải tần 94 (hay 106) từ cell C3 đưa sang D1, thì cự ly sử dụng lại tần số 94 (hay 106) bây giờ là từ cell D1 của mảng mẫu X đến cell C3 của mảng mẫu Y, tức là đã giảm đi một nửa so với ban đầu. Nghĩa là nhiễu kênh chung tăng lên nghiêm trọng, tỷ số C/I giảm đáng kể. Vì bán kính cell R vẫn giữ nguyên, mà cự ly sử dụng lại tần số của tải tần chuyển sang giảm chỉ còn một nửa, nghĩa là D/ R còn lại một nửa so với quy hoạch trước. Về lý thuyết, điều đó làm giảm tỷ số C/ I đi chừng 6 ¸ 8 dB. Muốn phân tích chính xác C/ I, phải kể đến yếu tố địa hình thực tế và các nhân tố mảng mẫu. Điều này cần đến công cụ phần mềm đặc biệt để xử lý vấn đề bằng máy tính. Một trong những giải pháp cho vấn đề này là cấu trúc đồng tâm của cell được tăng cường thêm tải tần lấy từ cell khác. Khi đó, các tải tần sẵn có ban đầu của cell vẫn được dùng như vốn có, còn tải tần tăng cường được phát công suất bé hơn ở mức microcell. Các nhân tố khác Công cụ phần mềm quy hoạch vô tuyến sẽ tính đến nhiều yếu tố sau đây khi chuyển kênh tần số: Sự khác nhau về công suất phát vô tuyến cả các BTS. Sự khác nhau về anten được dùng ở các cơ sở mặt bằng. Địa hình thay đổi Mảng mẫu thay đổi. .v.v.. Vì GSM là hệ thống bị giới hạn bởi can nhiễu, nên phải xét mẫu sử dụng lại tần số nào có mức can nhiễu chấp nhận được. Quy hoạch phủ sóng không lien tục Bài toán quy hoạch này phải xử lý đặc biệt. Tuy nhiên, cơ sở giải bài toán này vẫn là quy hoạch tần số sao cho các tỷ số C/ I và C/ A đạt mức quy định chất lượng. Những mâu thuẫn phát sinh có thể được dung hòa tùy hoàn cảnh. Ví dụ: trong làng xã ven quốc lộ có thể chịu C/ I nhỏ. Hình 3.8: Phủ sóng không liên tục Thiết kế tần số theo phương pháp MRP(Multiple Reuse patterns) Thiết kế hệ thống có dung lượng lớn với chi phí cho hạ tầng là tối thiểu đang ngày càng trở nên quan trọng trong cuộc chạy đua giữa các nhà điều hành di động. Phần này trình bày về việc áp dụng kỹ thuật nhảy tần kết hợp với một phương pháp thiết kế tần số tiên tiến, Multiple Reuse Patterns (MRP)_Đa mẫu sử dụng lại. Nhảy tần _Frequency hopping Việc tăng dung lượng mạng bằng cách giảm cự ly tái sử dụng lại tần số sẽ kéo theo những vấn đề về nhiễu tần số trở nên trầm trọng hơn, điều này gây khó khăn cho việc thiết kế tần số với chất lượng tốt. Một số kỹ thuật được sử dụng nhằm giảm bớt ảnh hưởng của nhiễu như: nhảy tần, điều khiển công suất, truyền phát gián đoạn DTX (Discontinuous Transmission). Trong phần này ta quan tâm đến kỹ thuật nhảy tần _ Frequency Hopping. Kỹ thuật nhảy tần đưa ra hai khái niệm phân tán tần số và phân tán nhiễu. Phân tán tần số: Tần số được phân chia nhằm cân bằng chất lượng tín hiệu giữa các thuê bao cho dù thuê bao đó đang di chuyển nhanh hay chậm. Điều này có nghĩa là độ dự trữ cho Fađinh nhanh (Rayleigh Fading) là không cần thiết. Chính nhờ hiệu quả của phân tán tần số mà vùng phủ sóng được tăng lên do giảm được độ dữ trữ cho Fađinh nhanh. Ngày nay, quy hoạch cell tiêu biểu dùng 3 dB cho dự trữ Fađinh nhanh. Phân tán nhiễu: Cường độ nhiễu được chia sẻ đều cho các thuê bao để quy về mức nhiễu trung bình. Nói chung, với một mạng lưới sử dụng kỹ thuật nhảy tần thì ta có thể giảm cự ly tái sử dụng tần số do đó có thể cải thiện được dung lượng của hệ thống so với mạng không sử dụng kỹ thuật nhảy tần. Hiệu quả của kỹ thuật nhảy tần Phân tán nhiễu trong kỹ thuật nhảy tần có thể được nhìn nhận như sự giảm tương quan của tín hiệu nhiễu trải qua những cụm (burst) liên tiếp. Hình 4.20 mô tả sự suy giảm tương quan tín hiệu trong ba trường hợp, khi đường lên uplink của một kết nối trong cell A bị gây nhiễu bởi các trạm di động trong các cell đồng kênh. Cell A được ấn định tần số 1 và 10 trong cả ba trường hợp. Hình 39 Một ví dụ về hiệu quả của kỹ thuật nhảy tần trên phân tập nhiễu của một mạng lưới. Kích thước của mũi tên phản ánh nhiễu tương quan giữa các cell đồng kênh. Trường hợp thứ nhất, mạng không sử dụng kỹ thuật nhảy tần. MS kết nối trên kênh tần số 1 trong cell A. Sau đó nhiễu I xuất hiện từ một thuê bao ở cell B đồng thời hoạt động trên cùng kênh tần số 1. Tương quan của tín hiệu nhiễu trên các cụm liên tiếp do đó là rất cao. Như vậy chất lượng của kết nối là xấu. Tình hình chỉ có thể cải thiện nếu cell đồng kênh ngừng phát tín hiệu trên kênh tần số này hoặc kết nối ở cell A được thực hiện chuyển giao Handover (bởi Intra-cell Handover, hay Inter-cell Handover). Trong trường hợp thứ hai là trường hợp nhảy tần trong quy hoạch tần số truyền thống, khi các nhóm tần số ấn định cho từng cell. Kết nối trong cell A nhảy trên hai kênh tần số (1 và 10), cell B cũng vậy. Do đó, nguồn nhiễu có thể thay đổi giữa hai thuê bao trong cell B, gây ra hai tín hiệu nhiễu I1 và I2. Bởi vì cường độ hai tín hiệu nhiễu này có sự khác nhau khá rõ rệt, tương quan tín hiệu nhiễu có thể thấp hơn cho các cụm liên tiếp. Nói cách khác, sự phân tán nhiễu đã tăng lên so với trường hợp không dùng kỹ thuật nhảy tần. Trường hợp cuối cùng, một thiết kế tần số bất quy tắc kết hợp với kỹ thuật nhảy tần. Điểm đặc biệt trong trường hợp này là không có sự ấn định tần số sử dụng trong một cell và các cell đồng kênh của nó. Do đó, cell B chỉ là một cell đồng kênh bộ phận của cell A, bởi chúng chỉ có một tần số dùng chung. Mặt khác, sự sắp xếp này tạo ra số cell đồng kênh bộ phận là lớn hơn, trong ví dụ trên là cell C. Trong trường hợp này, những cụm khác nhau của một kết nối tại cell A sẽ bị nhiễu bởi các thuê bao ở những cell khác nhau. Do đó, các cụm liên tiếp sẽ trải qua các tín hiệu nhiễu I1 và I2 , thông thường là không tương quan. Chính vì vậy, ở trường hợp này phân tán nhiễu là cao hơn so với thiết kế tần số theo truyền thống. Mà thuật ngữ gọi là “Phân tán nhiễu tối đa” _ “Maximizing Interference Diversity”. Ví dụ trên đây trình bày cách thức để có thể đạt được phân tán nhiễu tối đa, một thiết kế tần số không sử dụng các nhóm tần số cố định là thích hợp hơn cả. Tuy nhiên, cách thiết kế tần số này biểu hiện những hạn chế, bao gồm cả việc thiết kế lại trên phạm vi rộng cần thiết cho một hệ thống tiến triển và mở rộng không ngừng. Áp dụng kỹ thuật đa mẫu sử dụng lại_MRP có thể đạt được phân tán nhiễu tối đa mà vẫn duy trì cấu trúc thiết kế tần số. Phương pháp đa mẫu dử dụng lại MRP_ Multiple Reuse patterns Phương pháp MRP là phương pháp tổng quát để đạt được dung lượng cao bằng cách sử dụng lại tần số kết hợp với kỹ thuật nhảy tần. Phương pháp MRP khai thác lợi thế của kỹ thuật nhảy tần nhằm tăng dung lượng. Cơ sở của phương pháp MRP là phân chia các tần số thành các mẫu lớp băng tần số khác biệt với các mức độ sử dụng lại khác nhau và dùng kỹ thuật nhảy tần kết hợp chúng lại ở một mức sử dụng lại trung bình. Với mục đích là triển khai được càng nhiều càng tốt các bộ thu phát TRX ở các cell hiện tại để tối thiểu chi phí cho lắp đặt trạm mới. Phần này ta chỉ xét tới MRP sử dụng nhảy tần băng cơ bản. Phân chia băng tần: Bước đầu tiên của phương pháp MRP là phân chia phổ tần sẵn có thành các băng tần khác nhau. Một băng tần là băng tần BCCH, và một hay nhiều băng tần TCH theo nghĩa rằng một tần số đã được dùng làm tần số BCCH ở một cell thì sẽ không được sử dụng làm tần số TCH ở một cell khác và ngược lại. Băng tần BCCH dùng để thiết kế cho kênh điều khiển quảng bá BCCH. Lý do dùng các tần số BCCH duy nhất là: Lưu lượng không phụ thuộc vào đặc tính giải mã BSIC: Khi MS cố gắng giải mã BSIC (Base Station Identity Code_Mã nhận dạng trạm gốc) trên kênh đồng bộ SCH (Synchronisation Channel), đặc tính này không bị ảnh hưởng bởi tải lưu lượng. Lý do là lưu lượng được ấn định vào các tần số TCH sẽ không làm nhiễu loạn bất kỳ tần số BCCH mà kênh đồng bộ SCH ánh xạ vào. Giải mã nhận dạng trạm gốc BSIC là rất quan trọng đối với hiệu suất chuyển giao (Handover). Hiệu suất handover không tốt sẽ làm tăng số lượng các cuộc gọi bị rớt. Đơn giản hóa việc khai báo danh sách cell lân cận: Với một băng tần BCCH riêng biệt, số lượng các tần số cell lân cận sẽ được giảm bớt. Việc thiết kế sẽ đơn giản khi mà tất cả các tần số ngoại trừ tần số BCCH của chính cell đó và trong danh sách cell lân cận đều có thể được sử dụng. Nếu sử dụng tất cả các tần số sẵn có như là các tần số BCCH sẽ dẫn tới kết quả là danh sách cell lân cận dài hơn ảnh hưởng xấu tới hiệu suất handover. Việc thiết kế lại tần số TCH không ảnh hưởng gì tới thiết kế tần số BCCH: Nếu những TRX bổ sung được thêm vào các cell đã có sẵn, việc thiết kế tần số BCCH sẽ không bị ảnh hưởng gì. Hạn chế duy nhất cần tính đến là nhiễu tần số kế bên. Chính vì vậy, sẽ là hợp lý khi giữ cùng thiết kế tần số cho dù TRX bổ sung được thêm vào hệ thống. Nhà điều hành mạng do đó biết rằng nếu thiết kế tần số BCCH tốt thì nó vẫn giữ nguyên được tình trạng tốt, không phụ thuộc vào những tần số TCH. Lợi ích của việc điều khiển công suất và phát gián đoạn DTX: Chỉ có các tần số TCH có thể sử dụng phát gián đoạn và điều khiển công suất trên hướng xuống downlink. Với một băng tần BCCH riêng biệt, lợi ích đầy đủ từ việc điều khiển công suất và phát gián đoạn DTX là đạt được trên hướng xuống downlink. Bước tiếp theo trong phương pháp MRP, những tần số còn lại (TCH) được phân chia thành những băng tần khác nhau. Như vậy sẽ tồn tại một băng tần BCCH và vài băng tần TCH. Ý tưởng chính là một vài băng tần TCH được áp dụng những mẫu sử dụng lại khác nhau trên những bộ thu phát khác nhau. Bộ thu phát TCH thứ nhất trong tất cả các cell sẽ sử dụng các tần số của băng tần TCH thứ nhất, băng tần TCH thứ hai cho bộ thu phát thứ hai, v.v… Lý do cho việc phân chia những tần số TCH thành các băng khác nhau là: Kích cỡ sử dụng lại tần số trung bình phụ thuộc vào phân bố các TRX của mạng lưới: Sự phân bố TRX quyết định hệ số sử dụng lại tần số trung bình mà có thể áp dụng trong mạng. Hệ số sử dụng lại tần số trung bình được điều chỉnh theo số TRX tối đa cần thiết cho mỗi cell và số lượng cell cần số TRX như vậy. Theo cách này thì chất lượng hệ thống có thể kiểm soát tốt hơn nhờ điều chỉnh trong xử lý thiết kế tần số. Khi mở rộng thêm TRX, ảnh hưởng tới thiết kế tần số hiện tại sẽ nhỏ hơn: Việc phân chia băng tần TCH sẽ giới hạn số lượng các yêu cầu của công tác thiết kế tần số khi có thêm những TRX được bổ sung. Chỉ những cell có cùng số TRX hoặc nhiều hơn mới bị ảnh hưởng nếu có thêm những TRX bổ sung. Ví dụ, thêm TRX thứ tư vào một cell có ba TRX sẽ chỉ có ảnh hưởng tới những cell có bốn hoặc có nhiều hơn số TRX. Một biện pháp cấu trúc cho thiết kế tần số: Với việc phân chia băng tần TCH thành các băng khác nhau, cấu trúc sẽ trở nên hợp lý khi thiết kế quy hoạch tần số cho bộ thu phát TCH thứ nhất mà không làm thay đổi quy hoạch BCCH hay những quy hoạch cho những bộ thu phát TCH khác. Cấu trúc này giúp đơn giản hơn trong việc đưa ra thiết kế tần số mới và trong việc phát hiện ra thiết kế tần số không tốt. Ấn định tần số Việc ấn định tần số được minh họa trong hình 4.21, một biểu đồ chỉ ra cách những tần số khác nhau có thể ấn định cho một cấu hình MRP với tối đa bốn TRX mỗi cell. Ví dụ này xét thiết kế 12/10/8/6. Điều này nghĩa là có 12 tần số BCCH (tần số 1, 3, 5, …, 23), 10 tần số TCH cho nhóm 1 (tần số 2, 4, 6, …, 20), 8 tần số TCH nhóm 2 (22, 24, 26, …, 36) và 6 tần số TCH cho nhóm 3 (25, 27, …, 35). Hình vẽ cũng chỉ ra sự ấn định tần số cho hai cell A và B với số bộ thu phát theo thứ tự là hai và bốn. Hình 310 Ví dụ về thiết kế tần số với phương pháp MRP Cell A được ấn định tần số BCCH thứ 1 và tần số TCH thứ 6. Do đó cell A sẽ sử dụng nhảy tần băng cơ bản trên hai tần số. Trong khi đó cell B được ấn định tần số BCCH thứ 23 và các tần số TCH thứ 20, 26, 35. Do đó, cell B sử dụng nhảy tần băng cơ bản trên bốn tần số. Chú ý rằng, những tần số BCCH không cần xác định rõ vị trí, do đó bất kỳ tần số nào trong dải tần có sẵn đều có thể chọn làm tần số BCCH miễn sao sự chia tách BCCH/ TCH được thỏa mãn. Không cần phải lúc nào cũng tuân thủ chặt chẽ việc ấn định tần số theo phương pháp MRP. Nếu một cell tồn tại những vấn đề về chất lượng thì có thể giải quyết vấn đề này bằng thay đổi một tần số trong cell đó sang một tần số “trái luật”, tần số mà ban đầu đã được sử dụng trong nhóm bộ thu phát khác. Tuy nhiên, theo khuyến nghị thì việc tuân thủ cấu trúc MRP nên thực hiện một cách chặt chẽ nhất có thể. Thiết kế tần số Phương pháp MRP được phát triển nhằm xử lý đặc trưng tiêu biểu của mạng lưới khi sự phân phối TRX là không đồng đều. Điều này rất quan trọng khi mạng tế bào có sự khác nhau về những đặc tính mạng như kích cỡ cell, số phổ tần sẵn có và địa hình. Có nghĩa là trong mạng lưới, một số cell có nhiều TRX trong khi có những cell với số TRX ít hơn. Để tìm hiểu các trạng thái sử dụng lại tần số khác nhau của những cell khác nhau với số TRX là khác nhau, ta xem xét ví dụ sau: Cấu hình MRP 12/8/6/4 được chọn cho tổng số 30 tần số sẵn có. Trong đó, 12 tần số BCCH, ba nhóm tần số TCH lần lượt gồm 8, 6, 4 tần số. Trong ví dụ này ta giả thiết rằng tỷ lệ các cell có 2, 3, 4 TRX lần lượt là 20%, 30%, 50%. Hệ số sử dụng lại tần số trung bình của một cell = Tổng số tần số trong nhóm ấn định cho cell đó / Số TRX của cell đó Do đó, các cell khác nhau sẽ có hệ số sử dụng lại tần số khác nhau: hệ số bằng 10 với cell có 2 TRX, bằng 8,7 với cell có 3 TRX, và bằng 7,5 với cell có 4 TRX. Số TRX /cell 2 3 4 Tỷ lệ cell (%) 20% 30% 50% MRP groups 12 / 8 12 / 8 / 6 12 / 8 / 6 / 4 Hệ số sử dụng lại tần số TB Sử dụng lại tần số TB thực tế (Giới hạn trên) 10 9,0 8,5 Độ phân tán Nhỏ Lớn Rất lớn Hệ số sử dụng lại tần số trung bình thực tế được hiểu theo nghĩa “rải rác”, vì không phải tất cả các cell đều trang bị đầy đủ thiết bị. Ví dụ, TRX thứ 3 được sử dụng trên 80% tổng số cell, do vậy mà hệ số sử dụng lại thưc tế của TRX này rải rác sẽ là 6/ 0,8 = 7 (làm tròn từ 7,5), tùy thuộc vào phân bố địa lý của những cell với TRX thứ 3. Do đó, giới hạn trên của hệ số sử dụng lại tần số thực tế của cell có 3 TRX sẽ là: (12+8+7)/3 = 9,0. Lợi ích của nhảy tần sẽ tăng cùng với số lượng những tần số trong chuỗi nhảy tần. Những cell có nhiều TRX hơn tương ứng với hiệu quả sử dụng lại cao hơn, cũng đồng nghĩa với mức nhiễu là cao hơn, nhưng với phương pháp MRP điều này được cân bằng với một độ phân tán nhiễu là lớn hơn. Ví dụ trên minh họa MRP có thể điều chỉnh thiết kế tần số theo phân bố TRX trong hệ thống. Tuy nhiên, cũng phải chú ý rằng MRP không cần thiết phải thực hiện trên toàn bộ hệ thống, mà chỉ cần áp dụng cho những vùng có dung lượng cao. Cũng có thể sử dụng các cấu hình MRP khác nhau cho những vùng địa lý khác nhau trong mạng. Mẫu MRP tại Hà Nội năm 2007 của VMS_Center1 là cấu hình 15/ 12/ 9 /3: Group Cell A Cell B Cell C BCCH 84 86 88 90 92 94 96 98 100 102 104 106 108 110 112 15 TCH1 113 114 115 120 117 118 119 124 121 122 123 116 12 TCH2 95 99 107 105 109 87 85 89 97 9 TCH3 103 91 101 3 Patch 93 111 2 41 CHƯƠNG 4 : ANTENA Anten là thiết bị thực hiện việc chuyển đổi năng lượng giữa sóng được dẫn hướng (ví dụ trong cáp đồng trục) và sóng trong môi trường không gian tự do, hoặc ngược lại. Anten có thể được sử dụng để phát hoặc thu tín hiệu vô tuyến. Trong thông tin di động, việc sử dụng anten thích hợp sẽ có vai trò rất quan trọng, quyết định tới chất lượng hệ thống. Kiểu loại Anten Trong thông tin di động người ta thường dùng hai loại anten chính là: Anten vô hướng (omni anten): Phát xạ tín hiệu theo mọi hướng (3600). Anten định hướng (sector anten): Chỉ phát xạ theo một hướng nhất định. Sử dụng Anten định hướng có hiệu quả chống nhiễu đồng kênh cao hơn so với Anten vô hướng. Giảm nhiễu đồng kênh sử dụng anten định hướng (Sector hóa) Ta đã biết vấn đề nhiễu giao thoa đồng kênh thường liên quan đến việc sử dụng lại tần số và một trong những dạng của loại nhiễu này là từ các thuê bao đang hoạt động ở những vị trí cao (các quả đồi, trên các toà nhà cao tầng...) gây nhiễu tới các cell có cùng tần số làm việc. Khi dùng Omni Antenna: Hình 41 Anten vô hướng (Omni antenna) Ta giả thiết hai cell E1 và E2 sử dụng chung một tần số và E1 có địa thế cao hơn so với E2. Một thuê bao MS đang di chuyển từ E1 tới E2. Khi thuê bao di chuyển càng gần E2, khả năng gây nhiễu của nó tới E2 càng lớn. Khi dùng Sector Antenna: Hình 42 Đã được Sector hóa Bây giờ ta cũng vẫn dùng E1 và E2. Nhưng đã được sector hoá thành: EA1, EB1, EC và EA2, EB2, EC2. MS di chuyển về phía E2, xuất phát từ EA1 (có khoảng cách lớn nhất tới E2). Khi MS vượt qua vị trí trạm EA1, nó được chuyển giao tới EB1 và khoảng cách từ MS tới E2 gần hơn. EB1 cùng tần số với EB2 nhưng như địa hình ta thấy, các nhiễu nó tạo ra đều nằm phía sau anten của EB2 (vì là anten định hướng nên có tỉ số năng lượng hướng trước trên hướng sau = 6 ¸ 15 dB). Điều này có nghĩa là khả năng chống nhiễu của hệ thống đã tăng từ 6 ¸ 15 dB. Tương tự như vậy khi MS đi tới EA2 nó chỉ tạo nhiễu cho EA1 từ phía sau của anten EA1. Tóm lại dùng sector anten là một biện pháp làm tăng tỉ số C/ I của hệ thống Độ tăng ích anten Độ tăng ích của một anten là tỷ số, thường tính bằng dB, giữa công suất cần thiết tại đầu vào của một anten chuẩn không suy hao với công suất cung cấp ở đầu vào của anten đó sao cho ở một hướng cho trước tạo ra cường độ trường hay mật độ thông lượng công suất như nhau tại cùng một cự ly. Nếu không có ghi chú gì thêm, thì độ tăng ích anten được tính đối với hướng phát xạ lớn nhất. Tùy thuộc vào sự lựa chọn vào anten chuẩn, có các loại tăng ích anten sau: Tăng ích tuyệt đối hay tăng ích đẳng hướng (Gi) khi anten chuẩn là một anten đẳng hướng biệt lập trong không gian. Độ tăng ích ứng với một dipol nửa bước sóng (Gd) khi anten chuẩn là một dipol nửa bước sóng biệt lập trong không gian và mặt phẳng vuông góc của nó chứa hướng phát xạ. Độ tăng ích ứng với một anten thẳng đứng ngắn (Gv) khi anten chuẩn là một dây dẫn thẳng ngắn hơn nhiều so với một phần tư bước sóng, vuông góc với mặt phẳng dẫn điện lý tưởng chứa hướng phát xạ. Công suất bức xạ đẳng hướng tương đương – EIRP Công suất bức xạ đẳng hướng tương đương – EIRP (Equivalent Isotropic Radiated Power) là tích số của công suất sinh ra để cung cấp cho một anten với tăng ích của anten đó ở hướng nhất định ứng với anten đẳng hướng (độ tăng ích đẳng hướng hay tăng ích tuyệt đối) EIRP được xác định bởi công thức: PEIRP (W) = Pt (W)* 10(G - L)/10 Hay Trong đó: PEIRP (dBm): công suất bức xạ đẳng hướng tương đương; Pt (dBm): tổng công suất của các máy phát; L (dB): tổng suy hao từ các máy phát đến anten (ví dụ do combiner, feeder…); G (dBi): độ tăng ích cực đại của anten tương ứng với anten đẳng hướng. Độ cao và góc nghiêng (down tilt) của Anten Khi anten đặt thẳng đứng, hướng búp sóng chính sẽ nằm trên một đường thẳng nằm ngang. Hình 43 Anten vô hướng có góc nghiêng bằng 0 độ Ở những khu vực thị trấn nhỏ hay nông thôn, lưu lượng của hệ thống thấp nên việc tái sử dụng tần số là không cần thiết. Do vậy, ta nên sử dụng các vị trí cao hay đặt anten cao để tối đa hoá vùng phủ sóng. Tuy nhiên ở những khu vực đô thị lớn, lưu lượng hệ thống cao, kích thước cell hẹp thì có lẽ thích hợp nhất là giảm độ cao anten để có làm giảm can nhiễu kênh chung. Tuy nhiên, nếu đặt quá thấp, các vật cản (nhà cao tầng...) sẽ có ảnh hưởng lớn tới chất lượng hệ thống. Do vậy, hiện nay độ cao anten ở các đô thị thường là 30 ¸ 50 m. Để giải quyết phạm vi vùng phủ sóng hẹp, một kỹ thuật được đưa ra là “làm nghiêng hướng búp sóng chính của anten” (down tilt). Để thấy rõ hiệu quả của “downtilt” đối với chất lượng hệ thống ta xét minh họa sau: Chúng ta đã biết rằng công suất bức xạ của anten càng giảm khi càng rời xa búp sóng chính. Đồ thị thực nghiệm sau đây (được xây sựng từ đặc tính bức xạ của anten trong mặt phẳng đứng) chỉ rõ quan hệ đó. Đồ thị này sử dụng cho 3 loại anten có độ rộng búp sóng trong mặt phẳng đứng lần lượt là 70 , 140 , 280 . Trong đó: Trục X biểu diễn góc a là góc giữa hướng ta đang xét và hướng bức xạ chính trên mặt phẳng đứng (Vertical Angle – Degree 0C). Trục Y biểu diễn sự suy hao cường độ trường (Gain Reduction - dB). Hình 44 Đồ thị quan hệ giữa góc thẳng đứng và suy hao cường độ trường Giả thiết có hai cell A và B sử dụng cùng tần số. Bán kính mỗi cell r = 500m, khoảng cách hai cell là d = 4 km, độ cao anten là h = 30 m, độ rộng búp sóng là 70 . Hình 45 Ví dụ về hiệu quả của “downtilt” Sử dụng đồ thị thực nghiệm ta tính được: Suy hao tín hiệu nhiễu của cell A gây ra tại cell B: Từ đồ thị thực nghiệm ta có Gain Reduction = 0,2 (dB). Suy hao tín hiệu của anten A tại biên của cell A: Nên Gain Reduction = 4 (dB). Bây giờ ta nghiêng góc của anten A đi một góc 4,930, khi đó hướng búp sóng chính đã lệch đi góc 4,930 . Lúc này: Suy hao tín hiệu nhiễu của cell A gây ra tại cell B: a’ = dt - a = 4,930 – 0,430 = 4,50 Nên Gain Reduction = 6,2 (dB). Suy hao tín hiệu của anten A tại biên của cell A: β’ = dt – β = 4,930 – 3,440 = 1,490 Nên Gain Reduction = 0,5 (dB). Như vậy ta thấy, tín hiệu nhiễu do cell A gây ra cho cell B lúc này đã bị suy hao đáng kể (suy hao thêm 6 dB), đồng thời suy hao tín hiệu trong cell A đã giảm đáng kể nghĩa là chất lượng phủ sóng ở cell A đã được cải thiện. Qua thí dụ trên ta thấy, với việc nghiêng góc của anten thì chất lượng phủ sóng của cả hai cell A và B đều được cải thiện. Vừa làm chất lượng thu ở cell A tăng lên, vừa làm giảm nhiễu do cell A gây ra cho cell B. Việc nghiêng góc anten có thể dùng để giải quyết vấn đề phủ sóng. Tuy nhiên việc áp dụng nghiêng góc anten cần có sự phân tích kỹ càng những yếu tố liên quan có thể xảy ra trong vùng phủ sóng. CHƯƠNG 5: HANDOVER Một trở ngại trong việc phát triển mạng thông tin di động tế bào là vấn đề phát sinh khi một thuê bao di động di chuyển từ cell này sang cell khác. Các khu vực kề nhau trong hệ thống tế bào sử dụng các kênh vô tuyến có tần số khác nhau, khi thuê bao di động di chuyển từ cell này sang cell khác thì cuộc gọi hoặc bị rớt hoặc tự động chuyển từ kênh vô tuyến này sang một kênh khác thuộc cell khác. Thay vì để cuộc gọi bị rớt, quá trình Handover (tiếng Mỹ: Handoff) giúp cho cuộc gọi được liên tục. Quá trình Handover xảy ra khi hệ thống thông tin di động tự động chuyển cuộc gọi từ kênh vô tuyến này sang kênh vô tuyến khác khi thuê bao di động di chuyển từ cell này sang cell khác liền kề với nó. Trong quá trình đàm thoại, hai thuê bao cùng chiếm một kênh thoại. Khi một thuê bao di động chuyển động ra khỏi vùng phủ sóng của cell cho trước, tín hiệu đầu thu của cell này sẽ giảm. Khi đó, cell đang sử dụng sẽ yêu cầu một Handover (chuyển giao) đến hệ thống. Hệ thống sẽ chuyển mạch cuộc gọi đến một cell có tần số với cường độ tín hiệu thu mạnh hơn mà không làm gián đoạn cuộc gọi hay gửi cảnh báo đến người sử dụng. Cuộc gọi sẽ được tiếp tục mà người sử dụng không nhận thấy quá trình Handover diễn ra. Phân loại Handover Hệ thống phân loại các quá trình chuyển giao cuộc gọi thành những loại sau: Intra-cell Hand Over. Inter-cell Hand Over. Intra-MSC Hand Over. Inter-MSC Hand Over. Intra-cell Hand Over (Chuyển giao trong nội bộ tế bào): Thủ tục chuyển giao thực hiện giữa hai kênh vật lý của cell đang phục vụ. Intra-cell Hand Over không được sử dụng khi thuê bao di chuyển sang cell khác, ngoại trừ trường hợp nếu mức nhiễu trên kênh riêng là cao thì một sự chuyển giao sang một kênh vật lý khác phải được thực hiện. Hình 51 Intra-cell Handover Inter-cell Hand Over (Chuyển giao liên tế bào): MS được chuyển mạch sang một kênh vô tuyến mới của một cell khác nhưng được điều khiển của cùng một bộ điều khiển trạm gốc BSC. Hình 52 Inter-cell Handover Intra-MSC Hand Over (Chuyển giao trong nội bộ MSC): Chuyển mạch kênh vô tuyến giữa hai BSC của cùng một tổng đài di động MSC. Hình 53 Intra-MSC Handover Inter-MSC Hand Over (Chuyển giao liên MSC): Chuyển mạch kênh vô tuyến giữa hai tổng đài di động MSC. Hình 54 Inter-MSC Handover Trong trường hợp này, MSC ban đầu giữ toàn quyền điều khiển cuộc gọi và sắp đặt truy nhập mạng cho đến khi kết thúc cuộc gọi. Cuộc gọi được định tuyến vật lý lại từ MSC ban đầu trực tiếp đến MSC đích. Khởi tạo thủ tục Handover Thủ tục Handover sẽ được khởi tạo vào bất kỳ lúc nào mỗi khi xuất hiện nhu cầu chuyển đổi đường vô tuyến giữa BSS và MS sang một kênh mới, có thể là cùng BSS hay một BSS khác. BSS sẽ nhận thấy yêu cầu thiết lập thủ tục Handover để duy trì sự liên tục của cuộc gọi trong khi MS di chuyển. Nếu cell đích ưu tiên nằm trong cùng BSC thì thủ tục Handover sẽ được thực hiện bởi BSC. Nếu không, BSC sẽ gửi đến MSC một danh sách ưu tiên các cell đích. Trong danh sách này, MSC chỉ cân nhắc đến ba cell đầu tiên. Giải thuật MSC (với ví dụ là có ba cell được cân nhắc) là bước thứ nhất sẽ thử với cell đầu tiên, nếu không được thì sẽ chuyển sang thử với cell thứ hai rồi thứ ba, mà không có việc tính đến những khía cạnh lưu lượng. Nếu như trong khi thủ tục handover này đang diễn ra mà có thêm một yêu cầu Handover khác nhận được từ BSC, danh sách sẽ được cập nhật để tính toán đến các cell mới. Với mỗi lần thử, MSC yêu cầu một tài nguyên tần số thích hợp tới phân hệ trạm gốc BSS đích mà theo mặc định là không cho phép việc xếp hàng đợi, hoặc là cho phép hàng đợi nếu cho phép nếu như có chỉ thị tương ứng trong yêu cầu handover nhận được từ BSS nguồn. Nếu như MS không hoàn thành việc đạt được một kênh mới từ cell đích thì nó sẽ gửi một “bản tin thông báo chuyển giao thất bại” thông qua cell trước tới mạng lưới và MSC sẽ hồi phục lại kết nối trước của MS hoặc nếu MSC nhận thấy MS đã mất kết nối thì cuộc gọi sẽ được giải phóng. Quy trình chuyển giao cuộc gọi Về cơ bản, thủ tục Handover bao gồm 4 giai đoạn: Giai đoạn 1: BSC quyết định thực hiện thủ tục handover để đảm bảo kết nối của cuộc gọi. Giai đoạn 2: Một kết nối mới được thiết lập, song song với kết nối gốc. Giai đoạn 3: MSC chuyển cuộc gọi sang kết nối mới. Giai đoạn 4: Kết nối gốc được giải phóng. Giai đoạn 1: Hình 55 GĐ 1: Trong lúc kết nối, MS vẫn tiếp tục đo đạc mức thu và chất lượng truyền dẫn của cell phục vụ và những cell xung quanh. Những kết quả đo đạc được gửi tới BSC và là căn cứ để yêu cầu một thủ tục Handover sang một cell khác để có một chất lượng truyền dẫn tốt hơn. Hình 55 Quyết định chuyển giao_Handover Decision Handover Margin: Thực chất của Handover Margin là sự chênh lệch giữa mức thu của cell đang phục vụ và các cell lân cận. Khi mức thu của một cell lân cận nào đó vượt quá mức thu của cell đang phục vụ một khoảng lớn hơn giá trị Handover Margin định sẵn thì một Handover Alarm sẽ được gửi về hệ thống nhằm đưa đến quyết định chuyển giao. Thông thường thì thủ tục Handover sẽ được thực hiện ngay sau đó. Nếu việc đặt giá trị Handover Margin quá thấp sẽ dẫn tới việc Handover quá nhiều, nhưng ngược lại khi giá trị này đặt quá lớn có thể làm cho chất lượng cuộc gọi bị giảm xuống. Vì vậy, tùy vào tính chất phủ sóng của từng vùng cũng như mức độ nhiễu của từng cell phục vụ, Handover Margin cần được điều chỉnh thích hợp để đạt được chất lượng tốt nhất. Ví dụ như vùng bị nhiễu nhiều có thể đặt giá trị Handover Margin thấp để MS có thể nhanh chóng chuyển giao sang cell khác có chất lượng tốt hơn. Giá trị khuyến nghị là 4 dB, trên mạng VMS_Mobifone hiện đang sử dụng Handover Margin là 5 dB. BSC sẽ thông báo cho MSC về sự cần thiết thực hiện thủ tục Handover, và khai báo thông tin với MSC1. Hình 56 GĐ 1: BSC khai báo thông tin với MSC Giai đoạn 2: MSC1 yêu cầu một Handover Number (HON) từ MSC2 và thông báo với MSC2 thông tin về cell B. Hình 57 GĐ 2: MSC1 yêu cầu MSC2 cấp Handover Number Mã HON (Handover Number) chỉ quan trọng trong trường hợp Inter-MSC Handover. Nó được dùng để MSC1 thiết lập kết nối kênh lưu lượng với MSC2. Cấu trúc của mã HON cũng giống như mã MSRN và cũng được cung cấp bởi VLR mới. MSC2 yêu cầu VLR cung cấp một mã HON, đồng thời yêu cầu BSC cung cấp kênh vô tuyến. Sau đó, kênh vô tuyến và mã HON được gửi lại cho MSC1. Hình 58 GĐ 2: Cấp mã HON và kênh vô tuyến cho MSC1 Giai đoạn 3: Hình 59 GĐ 3: MSC1 chuyển mạch kết nối cho MS trên kênh lưu lượng thiết lập với MSC2 Với mã HON, MSC1 có thể thiết lập kênh lưu lượng kết nối với MSC2. MSC1 thông báo cho MS về kênh vô tuyến mà nó phải chuyển mạch tới. Giai đoạn 4: Giải phóng kết nối với BTS cũ. Hình 510 Kết nối với BTS cũ được giải phóng