Ngày nay, chúng ta đã và đang đứng trước sự phát triển mạnh mẽ không ngừng của
ngành công nghiệp viễn thông. Trong đó, không thể không kể đến thông tin vô
tuyến đã phát triển và đạt được nhiều thành tựu đáng kể, thông tin vô tuyến ngày
nay không ngừng được nghiên cứu để cải tiến về dịch vụ và chất lượng nhằm đáp
ứng nhu cầu ngày càng cao của người dùng. Nhắc đến thông tin vô tuyến không thể
nào không nhắc đến một trong các thành phần quan trọng bậc nhất của lĩnh vực vô
tuyến đó là về anten. Trong thông tin vô tuyến, anten là một hệ thống cho phép
truyền và nhận năng lượng trường điện từ. Anten cũng có thể được xem như là một
thiết bị dùng để truyền năng lượng trường điện từ giữa máy phát và máy thu mà
không cần bất cứ phương tiện truyền dẫn tập trung nào: như cáp đồng, cáp quang
hay ống dẫn sóng.
Trong nhiều ứng dụng, anten hoàn toàn có thể so sánh được với các phương tiện
truyền dẫn khác để chuyển tải năng lượng trường điện từ. Chính do “hiệu ứng da”
nên việc sử dụng dây dẫn để truyền tải thông tin trở nên kém hiệu quả trong các hệ
thống thông tin tần số cao, lúc này anten càng thể hiện được sự vượt trội của mình
trong việc trong việc chuyển tải các trường điện từ. Đặc biệt trong các hệ thống
thông tin ở các khu vực có địa hình phức tạp hoặc các khu vực ít dân cư, việc xây
dựng các hệ thống hữu tuyến trở nên tốn kém và khó khăn thì thông tin vô tuyến
được chọn là giải pháp tối ưu.
Sóng trường điện từ chi phối hoạt động của anten được mô tả bởi phương trình
Maxwell. Các phương trình này được thiết lập bởi Maxwell vào năm 1876, ông đã
thống nhất các định lý trước đó của Faraday, Ampere và Gauss và cho thấy rằng
vận tốc truyền lan sóng điện từ bằng với vận tốc ánh sáng.
Các bước phát triển của anten qua các giai đoạn từ giai đoạn hình thành cho đến
nay:
Năm 1886: nhà vật lý người Đức, Heinrich Hertz đã kiểm tra bằng thí nghiệm sự
tồn tại của sóng điện từ, ông đã phát triển các lưỡng cực đơn giản và các anten
vòng.
Nghiên cứu khảo sát và ứng dụng anten trong thông tin vô tuyến Trang vi
PHẦN A Giới thiệu
Năm 1987: nhà vật lý người Nga, Alexander Popov đã phát triển tuyến anten đầu
tiên và có khả năng truyền tín hiệu ở khoảng cách ba dặm.
Năm 1901: Guglielmo Marconi ông đã thành công với hệ thống thông tin vô tuyến
xuyên Đại Tây Dương với tần số hoạt động là 60Khz.
Năm 1916: lần đầu tiên sử dụng kỹ thuật điều biên để truyền tín hiệu tiếng nói.
Năm 1920: việc tạo ra các tín hiệu có tần số cao lên đến 1Mhz nên làm cho các
anten có kích thước nhỏ về điện.
Năm 1930: các nguồn dao động cao tần được tao ra với tần số lên đến dãy Ghz.
Năm 1934: hệ thống vô tuyến điện thoại thương mại đầu tiên được tạo ra hoạt động
giữa Anh và Pháp với tần số hoạt động 1.8Ghz.
Năm 1940-1945: đạt được nhiều kết quả nghiên cứu trong việc phát triển radar, các
mảng và các anten thấu kính.
Năm 1945 đến nay: kỷ nguyên của anten hiện đại. Anten hiên đại cho phép phân
phối các tín hiệu vô tuyến trên phạm vi toàn thế giới, cho phép thông thoại có tính
toàn cầu nhanh chóng. Các ứng dụng trong công nghệ thông tin vệ tinh, và sự bùng
nổ của công nghệ viễn thông dẫn đến lĩnh vực anten đang thu hút được rất nhiều sự
quan tâm.
Chính vì sự quan trọng của anten trong viễn thông nói chung và trong thông tin vô
tuyến nói riêng, những người thực hiện đề tài đã chọn đề tài “ Nghiên cứu khảo sát
và ứng dụng anten trong thông tin vô tuyến”. Nội dung đề tài được giới hạn trong
13 chương như sau:
Chương 1: Giới thiệu. Giới thiệu tổng quát công nghệ anten đang được phát
triển trong thông tin vô tuyến những năm gần đây, công nghệ anten thông minh.
Chương 2: Cơ sở về Trường điện từ. Trình bày về các tính chất của trường
điện từ và quá trình lan truyền của sóng điện từ trong các môi trường. Sự lan truyền
của trường điện từ trong các hệ tọa độ khác nhau.
Chương 3: Cơ sở về anten. Trong chương này trình bày khá chi tiết về các
thông số, đặc tính của một anten và cũng giới thiệu sơ lượt về một số anten đơn
giản.
Chương 4: Cơ sở về anten mảng. Các lọai anten mảng và các đặc tính của
anten mảng được giới thiệu khá cụ thể trong chương này.
Chương 5: Khảo sát đặc tính một số anten trong thực tế và bằng phần mềm
PCAAD. Khảo sát đặc tính bức xạ cùng với các thông số khác của các anten cơ bản
Nghiên cứu khảo sát và ứng dụng anten trong thông tin vô tuyến Trang vii
PHẦN A Giới thiệu
trong môi trường lí tưởng (phần mềm PCAAD 5.0) và trong môi trường thực tế
bằng bộ thí nghiệm ATS05 của AMITEC.
Chương 6: Cơ sở về biến ngẫu nhiên và quá trình xử lí ngẫu nhiên. Định
nghĩa về biến ngẫu nhiên, các quá trình ngẫu nhiên, các hàm mật độ xác suất và quá
trình dừng.
Chương 7: Các đặc tính của kênh truyền sóng. Chương này định nghĩa các mô
hình kênh truyền vô tuyến, các ảnh hưởng của kênh truyền lên tín hiệu phát và tín
hiệu thu, và các cách thức cải thiện chất lượng của tín hiệu.
Chương 8: Ước lượng hướng góc tới. Trình bày các kỹ thuật toán ước lượng
hướng tín hiệu đến máy thu, để từ đó anten định hướng bức xạ sao cho chính xác
nhất.
Chương 9: Anten thông minh. Chương này trình bày các hình thức và các
phương pháp định dạng búp sóng trong anten thông minh.
Chương 10: Tăng độ phủ sóng và tăng dung lượng trong 3G. So sánh về độ
phủ sóng và dung lượng trong hệ thống CDMA2000 và WCDMA.
Chương 11: Anten thông minh trong các trạm di động. Chương này trình bày
sơ lược về vấn đề đường downlink trong hệ thống CDMA và nêu lên các giải pháp
làm tăng dung lượng đường downlink để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của người
dùng di động.
Chương 12: Anten thông minh trong hệ thống MIMO. Nội dung chương này
giới thiệu về ứng của anten thông minh trong hệ thống MIMO, các nguyên lý của hệ
thống MIMO và hướng ứng dụng trong các hệ thống cellular.
Chương 13: Kết luận và hướng phát triển đề tài. Trong chương này nhóm
trình bày các kết quả mô phỏng được rút ra kết luận, nêu các vấn đề đã làm được và
các vấn đề chưa làm được, cùng với hướng phát triển đề tài trong tương lai.
32 trang |
Chia sẻ: tuandn | Lượt xem: 2775 | Lượt tải: 2
Bạn đang xem trước 20 trang tài liệu Đồ án Nghiên cứu khảo sát và ứng dụng anten trong thông tin vô tuyến, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
Chương
10
Tăng độ phủ sóng và tăng dung lượng
trong mạng 3G
CDMA2000 và WCDMA có nhiều điểm giống nhau và nhiều điểm khác nhau. Chúng dùng nhiều loại mã trải phổ và mã hóa, các hệ thống phát tín hiệu dẫn đường, việc mã hóa, interleaving và điều chế, cấu trúc kênh vật lý, cấu trúc khung, điều khiển công suất và thuật toán chuyển giao, cũng như các thuật toán lớp cao hơn khác nhau. Tuy nhiên,các sự khác nhau này chỉ ảnh hưởng nhỏ đến mối liên hệ về độ phủ sóng và dung lượng hệ thống vì chúng được tối ưu hóa đến các giới hạn nào đó, chủ yếu là do yêu cầu về khả năng tương thích với hệ thống 2G tương ứng của chúng (IS-95 và GSM). Mỗi sóng mang CDMA2000 dùng băng thông tổng là 1.25 MHz có tốc độ chip là 1.2288 Mcps. Trong khi WCDMA là 5 MHz và dùng tốc độ chip là 3.6864 Mcps. Băng thông rộng có thể tạo ra một số độ phân tập phụ (tức là, tăng dung lượng cho WCDMA). Băng thông hẹp sẽ làm giảm can nhiễu của một cell (tăng dung lượng cho CDMA2000). Do đó, tác động sẽ nhỏ trong hầu hết các trường hợp (nghĩa là, CDMA và WCDMA đều có cùng chất lượng cơ bản). Nhìn chung CDMA là hệ thống giới hạn can nhiễu, nên dung lượng của nó cũng giới hạn. Tuy nhiên, khi dung lượng không phải là vấn đề chính, các thiết bị vô tuyến sẽ có chất lượng tùy thuộc vào quỹ và độ phủ sóngđường truyền. Đây thông thường là trường hợp triển khai ban đầu của một hệ thống mới hoặc trong việc cách li các cell vùng nông thôn, vì mục tiêu khi đó là để phủ sóng khu vực với số lượng trạm gốc nhỏ nhất. Tương tự, khi hỏi hỏi tính tin cậy trong độ phủ sóng cho thuê bao trong nhà cần tốc độ bit cao từ các trạm gốc ngoài trời, kích cỡ cell sẽ nhỏ, và cần dung lượng mỗi km2 nhiều hơn. Chương này sẽ so sánh 2 tuyến CDMA2000 và WCDMA.Tuy nhiên ta không so sánh các vấn đề như băng thông, đặc tính chi tiết của môi trường truyền (rất quan trọng trong việc tối ưu hóa mạng vô tuyến), tích thích hợp và khả năng tương tích của WCDMA hoặc CDMA2000 trong vấn đề overlay, hỗn hợp (co-existing), hoặc với một hệ thống 2G đã triển khai đặc biệt. Nói cách khác, ta chỉ so sánh về dung lượng và độ phủ sóng của chúng.
Quỹ đường truyền và độ phủ sóng
Đối với các hệ thống như FDMA hoặc TDMA, tải cell sẽ không ảnh hưởng đến độ phủ sóng trong vấn đề thiết kế. Tuy nhiên, đối với CDMA, tùy thuộc vào việc tái sử dụng tần số phổ biến, mà việc phân tích dung lượng và độ phủ sóngsẽ được liên kết với nhau khi nhiều thuê bao tham gia vào mạng, mức can nhiễu tăng, và phạm vi phủ sóng của các cell sẽ co lại. Do đó, để có được độ phủ sóng tin cậy tại biên của cell, việc phân tích quỹ đường truyền và độ phủ sóng thường dựa trên tải cell nào đó (tức là, một giới hạn can nhiễu nào đó sẽ được xem là quỹ đường truyền). Đối với đường uplink (UL), quỹ đường truyền là khoảng tải cell 50%, tương ứng với mức tăng nhiễu là 3 dB. Điều này có thể phụ thuộc vào việc thiết kế trong quá trình triển khai khởi tạocho một hệ thống. Do đó, nhu cầu về các trạm gốc phụ xuất hiện chỉ khi vượt qua ngưỡng giới hạn (50% tải). Quỹ đường lên đường dùng để dự đoán độ phủ sóng của một mạng CDMA RF dựa trên các giới hạn về số thuê bao thông tin về trạm gốc. Giới hạn cơ bản về độ phủ sóng trong hầu hết trường hợp sẽ được đề cập sau. Do đó, giới hạn về dịch vụ là dựa trên quỹ đường uplink. Quỹ đường uplink có thể thay đổi theo loại thuê bao, cấu hình thuê bao, tính di động của thuê bao và sự phân loại về hình thái. Quỹ đường truyền riêng biệt sẽ được tạo ra cho mỗi hoán vị của về các thông số sau đây
Các thông số của trạm di động (MS)
Sau đây là các thông số của một trạm di động
Tx power: Công suất phát của thuê bao;
Cable loss: Độ suy giảm do vấn đề về cáp và các kết nối đến anten;
Độ lợi hiệu dụng của anten MS: Độ lợi tại đầu cuối MS;
Công suất bức xạ đẳng hướng hiệu dụng(công suất bức xạ đẳng hướng tương đương) (EIRP): Công suất phát của MS thấp hơn bất kỳ tổn hao cáp và độ lợi hiệu dụng anten.
Các thông số của trạm gốc
Sau đây là các thông số của một trạm gốc
BS Rx antenna gain: Độ lợi của anten trạm gốc;
BS cable loss: Độ suy hao về cáp BS của anten đến đầu cuối phía trước của bộ thu, bao gồm bất kỳ bộ ghép và bộ đa hợp nào;
Noise figure: (Nhiễu ảnh)hệ số nhiễu của bộ thu BS.
Các thông số hệ thống
Sau đây là các thông số của hệ thống:
Tốc độ dữ lưu lượng dữ liệu kênh cực đại;
Tỉ số Eb/No của BS: Tỉ số cần thiết của năng lượng lưu lượng kênh mỗi bit với năng lượng can nhiễu. Tỉ số này còn được ghi là Eb/Io. Giá trị của nó dựa vào môi trường pha-đing của thuê bao. Các thuê bao di động cao cấp có xu hướng đòi hỏi tỉ số này phải cao hơn để tránh hiện tượng pha-đinh.
Margin
Sau đây là các magin
Tính xuyên vật cản (xe hoặc nhà): độ suy hao RF của tín hiệu khi đi qua xe hoặc nhà. Tính xuyên vật cản này có xu hướng được kết hợp với việc phân loại hoặc kiến trúc của tòa nhà.
Margin nổi: Margin được cấp phát để khắc phục can nhiễu của hiệu ứng pha -đinh loga và pha-đinh chắn. Đại lượng margin được xác định bằng độ tin cậy mong muốn về việc phủ sóng tại biên cell. Thông thường, margin làm mờ khoảng 4.5 dB đến 11 dB.
Độ chuyển giao mềm (SHO): là lợi ích tạo ra từ quá trình phân tập chuyển giao mềm di động trên 2 hoặc nhiều trạm gốc vô tuyến (RBS). Các lợi ích cho quỹ đường truyền là tùy thuộc vào tính độc lập thống kê của pha-đing RF giữa đầu cuối thuê bao và bất kỳ hai trạm gốc nào. Không có lợi ích về chuyển giao mềm cho người dùng cố địnhvì anten có hướng hoặc độ định hướng của họ đang nằm trong tòa nhà có xu hướng tăng tính tương qua về các đường nổi và giảm đại lượng chuyển giao mềm.
Một số thông số khác
Sau đây là các thông số khác
Mật độ tạp âm nhiễu: Tầng nhiễu RF của môi trường xung quanh trong tập hợp môi trường tại -174 dBm/Hz.
Băng thông tín hiệu: Băng thông của kênh CDMA.
Margin tải: Việc tăng tầng nhiễu tạp âm ở đường uplink tùy thuộc vào các mức can nhiễu tăng khi lưu lượng tăng. 50% lưu lượng tải bằng với việc tăng 3.0 dB ở tầng nhiễu đường uplink.
. Với : độ nhạy máy thu (không tải), : mật độ nhiễu tạp âm, : hệ số nhiễu bộ thu BS,: tỉ số Eb/No trung bình của BS,: tốc độ dữ liệu tối đa.
Tổn hao đường tối đa cho phép (MAPL): Tổn hao đường tối đa cho các thuê bao có thông số cho trước có thể chịu được và vẫn còn liên lạc tin cậy ở đường lên.
Với
: tổn hao đường tối đa
: công suất phát bức xạ đẳng hướng tương đương cực đại của thuê bao
: tổn hao đầu
: tổn hao xuyên nhà cửa
: độ lợi chuyển giao mềm
: margin pha-đinh
: độ lợi anten BS
: tổn hao cáp BS
: độ nhạy máy thu BS (không tải)
: margin tải.
Độ dự trữ pha-đing (Fade Magin)
Độ tin cậy về tính phủ sóng tại biên cell và trong cell được mô tả một cách thống kê bằng đường phân bố trung bình. Để có được độ tin cậy nào đó trong việc cung cấp dịch vụ tại biên của khu vực phủ sóng dự đoán, cần áp dụng một độ dữ trữ pha-đing đặc biệt vào quỹ đường truyền. Đại lượng dự trữ thêm vào đó phụ thuộc vào mức tin cậy yêu cầu và độ lệch chuẩn của pha-đinh loga chuẩn tắc. Đối với trường hợp các chuyển giao mềm xảy ra gần biên phủ sóng, máy phát chỉ phải cung cấp đủ công suất để khắc phục nhiễu và can nhiễu nền. Tuy nhiên, đối với hiện tượng bóng râm (shadowing), bộ phát cần tăng công suất phát lên để khắc phục sự biến thiên ngẫu nhiên trong tổn hao đường truyền tùy vào pha-đinh chuẩn log. Độ dự trữ được thiết lập trong công suất phát tùy thuộc vào phần bù cho các độ tăng giảm về chuẩnlog được gọi là độ dự trữ che khuất chuẩn log (log-normal shadow margin).Độ dự trữ che khuất chuẩn log (log-normal shadown margin), μ, có thể được tính bằng công thức sau
Mức tin cậy (bên cell)=1−
1
2.𝜋
∞
𝑒
−
𝑥
2
2
𝑑𝑥
𝜇−10.𝑛.𝑙og(𝑟)
𝛿
𝑛: 𝑠ố 𝑚ũ 𝑡ổ𝑛 ℎ𝑎𝑜 đườ𝑛𝑔
𝑟: 𝐵á𝑛 𝑘í𝑛ℎ 𝑐𝑒𝑙𝑙 𝑐ℎ𝑢ẩ𝑛 ℎó𝑎 (𝑡ạ𝑖 𝑏𝑖ê𝑛 𝑐𝑒𝑙𝑙, 𝑟=1)
𝛿: 𝐿𝑜𝑔 𝑐ủ𝑎 độ 𝑙ệ𝑐ℎ 𝑐ℎ𝑢ẩ𝑛 ℎ𝑎𝑑𝑜𝑤 𝑡𝑟𝑢𝑛𝑔 𝑏ì𝑛ℎ
1
2.𝜋
∞
𝑒
−
𝑥
2
2
𝑑𝑥
𝜇−10.𝑛.
log
𝑟
𝛿
:𝐾ℎả 𝑛ă𝑛𝑔 𝑚ấ𝑡 𝑘ế𝑡 𝑛ố𝑖 (𝑏𝑖ê𝑛 𝑐𝑒𝑙𝑙)
𝑇ỉ 𝑙ệ 𝑝ℎầ𝑛 𝑡𝑟ă𝑚 𝑡ℎ𝑒𝑜 𝑡ℎờ𝑖 𝑔𝑖𝑎𝑛 𝑘ℎ𝑖 𝑏ộ 𝑡ℎ𝑢 𝑏ị ả𝑛ℎ ℎưở𝑛𝑔 𝑏ở𝑖 ℎ𝑖ệ𝑢 ứ𝑛𝑔
𝑏ó𝑛𝑔 𝑟â𝑚 𝑡𝑟𝑜𝑛𝑔 𝑣ù𝑛𝑔 𝑏ó𝑛𝑔 𝑟â𝑚.
(10.1)
Ví dụ, đối với độ lệch chuẩn shadow loga chuẩn hóa 8 dB, một margin shadow loga trungbình 10.3 dB cần khoản 90% độ tin cậy nếu xảy ra chuyển giao cứng tại biên giữa các cell lục giác. Tính tin cậy càng cao, thì càng đòi hỏi margin cao hơn và bán kính cell nhỏ hơn. (Ví dụ, giả sử mặt đất phẳng, không có tắt nghẽn và dốc 35 dB mỗi thập kỷ về tổn hao cấu trúc, độ dự trữ tăng 1 dB sẽ làm giảm 6% bán kính cell và giảm 14% diện tích cell). Mức tin cậy 90% chỉ ra rằng 90% thời gian mà các bộ thu ở biên của cell có thể truy cập đến mạng RF.
Độ tin cậy (Diện tích Cell)
Mức tin cậy về diện tích cell là số phần trăm về thời gian để các thuê bao đang hoạt động đó được phân phối một cách ngẫu nhiên qua diện tích phủ sóng cell có thể khắc phục hiệu ứng pha-đinh che khuất để có thể được thu bằng bộ thu của trạm gốc vô truyến. Mức tin cậy trong phạm vi một cell sẽ cao hơn mức tin cậy ở biên cell ứng với một tín hiệu có ngưỡng độ mạnh là xo. Mức tin cậy trong phạm vi cell, Fu, có thể được tính bằng biểu thức sau
𝐹
𝑢
=
1
2
.
1−
erf
𝑥
+
𝑒
1−2𝑥𝑦
𝑦
2
.
1−𝑒𝑟𝑓
1−𝑥𝑦
𝑦
(10.2)
Với
𝑦=10.𝑛.
𝑙𝑜𝑔
10
𝑒
𝛿.
2
𝑥=
−𝜇
𝛿.
2
erf
𝑥
=
2
𝑝
.
0
𝑥
𝑒
−
𝑡
2
𝑑𝑡
𝜇: Log của độ dự trữ bóng râm trung bình của xo
(xem phần “độ dự trữ che khuất chuẩn log” hoặc biểu thức của nó)
𝑛:Số mũ tổn hao đường
𝛿:chuẩn độ lệch theo dB của che khuất chuẩn log.
Hình 10.1 chỉ ra sự tương quan giữa mức tin cậy cho diện tích cell và biên cell so với độ dự trữ che khuất chuẩn log (chuyển giao cứng) có độ lệch chuẩn 8 dB.
Tải lưu lượng CDMA
Trong kỹ thuật CDMA, mọi thuê bao đều dùng tần số chung để thu và phát, không đưa các tần số và/hoặc khe thời gian khác nhau cho mỗi thuê bao như các kỹ thuật trước đó.Do việc chia sẻ phổ tần, các thừa số nguyên tố làm giới hạn dung lượng trong CDMA là các mức can nhiễu tồn tại trong phổ tần CDMA.Dung lượng của đường lên (uplink) được dựa trên công thức được gọi là dung lượng cực (pole capacity). Dung lượng cực cho thấy một giới hạn về lý thuyết các cuộc gọi được thực hiện cùng một lúc trên một sector riêng có thể hỗ trợ, nếu tất cả các thuê bao có thể duy trì liên tục công suất phát của chúng tại giá trị nhỏ nhất được xem là điều khiển công suất hoàn hảo. Nhưng trong thực tế, một phần nhỏ của dung lượng cực có thể đạt được trong thực tế.
/
Hình 10.1 Độ tin cậy tại biên cell và trong cell
Cao hơn nữa, một phần nhỏ của việc thiết kế dung lượng cực cần phải đạt được. Hơn nữa chất lượng thoại phải hoặc/và chất lượng lưu chuyển phải được thỏa hiệp. Ảnh hưởng của việc tăng can nhiễu đòi hỏi thuê bao phải tăng công suất phát của nó để duy trì tốc độ lỗi khung ở mức có thể chấp nhận được trên đường truyền ngược (reverse link: RL). Lưu lượng tải trung bình cực đại được khuyến cáo là 65% của dung lượng cực. Lượng tải cell được định nghĩa là tỉ số của các người dùng đang hoạt động trên toàn bộ số người dùng được phép trong giới hạn theo phần trăm của dung lượng cực. Lượng tải cell của đường lên được tính như [1,2].
𝜂
𝑈𝐿
=
1+
𝐼
𝑜𝑐
𝐼
𝑠𝑐
𝑗=1
𝑁
𝑢
1
1+
𝑊
𝐸
𝑏
/
𝑁
𝑜
𝑅
𝑗
𝑣
𝑗
(10.3)
Với
𝑁
𝑢
: số thuê bao;
𝑣
𝑗
: hệ số hoạt động cho người dùng j [bằng 0.67 khi truyền tín hiệu thoại đa tốc độ thích nghi (AMR) trong WCDMA và 1 khi truyền dữ liệu];
𝐼
𝑜𝑐
𝐼
𝑠𝑐
:tỉ số trung bình giữa một cell với can nhiễu của cell đó (bằng 0.65 ứng với các vị trí có 3 sector).
Biểu thức hệ số tải lưu lượng đường downlink (DL) có dạng
𝜂
𝐷𝐿
=
𝑗=1
𝑁
𝑢
𝑣
𝑗
𝐸
𝑏
/
𝑁
𝑜
𝑗
1+
𝑊
𝐸
𝑏
/
𝑁
𝑜
𝑅
𝑗
𝑣
𝑗
1+
𝐼
𝑜𝑐
𝐼
𝑠𝑐
−
𝛼
(10.4)
Với
𝛼
là hệ số trực giao trung bình (bằng 1 là trực giao hoàn toàn, bằng không là không trực giao).
Dịch vụ thoại
Bảng 10.1 tổng kết lại các giá trị
𝐸
𝑏
/
𝑁
𝑜
cần thiết để có thể đạt được chất lượng mong muốn dựa trên các chỉ tiêu BLER đã liệt kê ứng với các tốc độ dữ liệ WCDMA khác nhau [1]. Giá trị này sẽ chiếm một phần quỹ đường truyền và là một trong số những hệ số quan trọng nhất để xác định độ phủ sóng và dung lượng cho một dịch vụ cho trước.
Bảng 10.1Bảng so sánh chất lượng của các loại đường truyền WCDMA ứng với những tốc độ dữ liệu khác nhau
Tốc độ dữ liệu (Kbps)
Kênh di động
Uplink
𝑬
𝒃
/
𝑵
𝒐
(dB)
Downlink
𝑬
𝒃
/
𝑵
𝒐
(dB)
BLER (%)
12.2
AWGN
2.9
4.4
1%
12.2
Người đi đường tốc độ 3km/h
4.2
7
1%
12.2
Trường hợp 3
5.5
7
1%
64
AWGN
1
2.5
10%
64
Người đi đường tốc độ 3km/h
2.2
5.3
10%
64
Trường hợp 3
3.4
5.3
10%
384
AWGN
0.6
2.4
10%
384
Người đi đường tốc độ 3km/h
2
5.1
10%
384
Trường hợp 3
3.4
5.1
10%
Quỹ đường lên
Bảng 10.2 và 10.3 trình bày quỹ đường truyền cho một kênh của người đi đường A ở mội trường thành phố, ngoại ô và nông thôn ứng với kỹ thuật CDMA2000 và WCDMA. Đối với CDMA2000, các thông số giả định và các thông số khác như công suất phát, độ lợi tín hiệu dẫn đường, trạm gốc và độ lợi anten di động, một số tổn hao khác tại của MMS và BS được lấy trong [3]. Còn về WCDMA, hầu hết dữ liệu được lấy từ [1, 2]. Cho rằng tốc độ của bộ mã hóa tiếng nói của WCDMA là 12.2 Kbps và của CDMA2000 là 9.6 Kbps.
Quỹ đường xuống
Đối với đường downlink, ta cho rằng công suất phát tối đa của trạm gốc là 20W và công suất lưu lượng tổng chỉ được cấp bởi chế độ thoại của người dùng. Ngoài ra, ta đặt một mức giới hạn công suất cho mỗi thuê bao là 10% công suất lưu lượng tổng (có công suất phát tối đa khoảng 32 dBm). Giá trị này, mặc dù được chọn ngẫu nhiên, nhưng cũng có ảnh hưởng đáng kể đến diện tích phủ sóng đường downlink. Thực tế, giá trị này được thiết lập cho mỗi thuê bao và phụ thuộc vào số lượng thuê bao và tốc độ bit của các thuê bao đó. Đối với CDMA2000, các giá trị được trình bày trong bảng 7.4 là lấy từ [3]. Nhìn chung, độ lợi chuyển giao mềm ở đường đi (FL) sẽ cao hơn đường về (RL). Lý do là tùy vào việc dùng kỹ thuật kết hợp tỉ số cực đại (MRC) trong đường đi hay là việc phân tập lựa chọn được dùng trong đường uplink. Quỹ đường downlink của WCDMA được trình bày ở bảng 7.5. Dù là CDMA2000 hay WCDMA, thì tính tương quan về độ phủ sóng và dung lượng hầu như giống nhau, chỉ khác một ít về tổn hao đường tối đa cho phép(MAPL) và kích thước cell thực tế. Phần còn lại của chương này sẽ tập trung phân tích về mạng WCDMA, và phương pháp được dùng trong WCDMA cũng có thể áp dụng vào CDMA2000. Hình 10.2so sánh độ phủ sóng và dung lượng đường uplink và downlink của tín hiệu thoại WCDMA 12.2 Kbps trong một macrocell. Khi có rất nhiều thuê bao trong vùng, đường downlink có thể bị giới hạn về độ phủ sóng, khi giả sử dung lượng sector là cố định.
Bảng 10.2 Quỹ đường truyền tín hiệu thoại RL/UL của CDMA2000
Các thông số
CDMA2000
RL vùng thành thị
RL vùng ngoại ô
RL vùng nông thôn
Cấu hình vô tuyến
RC3
RC3
RC3
Môi trường di động
Ped. A
Ped. A
Ped. A
Chỉ tiêu FER/BLER
1.00%
1.00%
1.00%
Tốc độ dữ liệu tối đa (bps)
9,600
9,600
9,600
Các thông số của MS
Công suất phát (Watts)
0.2
0.2
0.2
Công suất phát (dBm)
23.0
23.0
23.0
Tổn hao bộ kết hợp của MS (dB)
0.0
0.0
0.0
Tổn hao cáp MS (dB)
0.0
0.0
0.0
Độ lợi anten của MS (dBi)
0.0
0.0
0.0
EIRP (dBm)
23.0
23.0
23.0
Tổng overhead của tuyến về (dB)
-1.5
-1.5
-1.5
Lưu lượng EIRP (dBm)
21.5
21.5
21.5
Các thông số của BS
Độ lợi anten của BS (dBi)
18.0
18.0
18.0
Tổn hao bộ kết hợp của BS (dB)
0.0
0.0
0.0
Tổn hao cáp thu của BS (dB)
-1.0
-1.0
-1.0
Hệ số nhiễu của BS (dB)
3
3
3
Nhiễu nhiệt (dBm/Hz)
-174
-174
-174
Mật độ nhiễu bộ thu của BS (dBm/Hz)
-171
-171
-171
Tốc độ dữ liệu tối đa (dB)
39.8
39.8
39.8
Trị
𝐸
𝑏
/
𝑁
𝑜
khởi tạo (dB)
5.5
5.5
5.5
Độ lệch chuẩn của
𝐸
𝑏
/
𝑁
𝑜
(dB)
0.0
0.0
0.0
𝐸
𝑏
/
𝑁
𝑜
trung bình (dB)
5.5
5.5
5.5
Mật độ BS hiệu dụng (dBm)
-125.7
-125.7
-125.7
Các độ dự trữ của việc thiết kế mạng
Tổn hao khối (dB)
-2
-2
-2
Tổn hao xuyên nhà (dB)
-20.0
-15.0
-10.0
Độ tin cậy (tại biên cell)
90%
90%
90%
Độ lệch chuẩn che khuất chuẩn log(dB)
8.0
8.0
8.0
Độ dốc tổn hao đường Y
3.5
3.5
3.5
Độ dự trữ che khuất chuẩn log (dB)
-10.3
-10.3
-10.3
Độ tin cậy (trong cell)
97%
97%
97%
Độ lợi chuyển giao mềm CDMA khi độ tương quan 50% (dB)
3.0
3.0
3.0
Tải lưu lượng CDMA (%)
50%
50%
50%
Hiệu suất tải lưu lượng CDMA (dB)
-3.0
-3.0
-3.0
Tổ hao đường tối đa cho phép (dB)
131.9
136.9
141.9
Bảng 10.3 Quỹ đường truyền tín hiệu thoại RL/UL WCDMA
Các thông số
WCDMA
RL vùng thành thị
RL vùng ngoại ô
RL vùng nông thôn
Môi trường di động
Ped. A
Ped. A
Ped. A
Mã FEC
Mã chập
Mã chập
Mã chập
Chỉ tiêu FER/BLER
1.00%
1.00%
1.00%
Tốc độ dữ liệu tối đa (bps)
12,200
12,200
12,200
Các thông số của MS
Công suất phát (Watts)
0.125
0.125
0.125
Công suất phát (dBm)
21.0
21.0
21.0
Tổn hao bộ kết hợp của MS (dB)
0.0
0.0
0.0
Tổn hao cáp MS (dB)
0.0
0.0
0.0
Độ lợi anten của MS (dBi)
0.0
0.0
0.0
EIRP (dBm)
21.0
21.0
21.0
Lưu lượng EIRP (dBm)
21.0
21.0
21.0
Các thông số của BS
Độ lợi anten của BS (dBi)
18.0
18.0
18.0
Tổn hao bộ kết hợp của BS (dB)
0.0
0.0
0.0
Tổn hao cáp thu của BS (dB)
-1.0
-1.0
-1.0
Hệ số nhiễu của BS (dB)
3
3
3
Nhiễu nhiệt (dBm/Hz)
-174
-174
-174
Mật độ nhiễu bộ thu của BS (dBm/Hz)
-171
-171
-171
Tốc độ dữ liệu tối đa (dB)
40.9
40.9
40.9
Trị
𝐸
𝑏
/
𝑁
𝑜
khởi tạo (dB)
4.2
4.2
4.2
Độ lệch chuẩn của
𝐸
𝑏
/
𝑁
𝑜
(dB)
0.0
0.0
0.0
𝐸
𝑏
/
𝑁
𝑜
trung bình (dB)
4.2
4.2
4.2
Mật độ BS hiệu dụng (dBm)
-125.9
-125.9
-125.9
Các độ dự trữ của việc thiết kế mạng
Tổn hao khối (dB)
-2
-2
-2
Tổn hao xuyên nhà (dB)
-20.0
-15.0
-10.0
Độ tin cậy (tại biên cell)
90%
90%
90%
Độ lệch chuẩn che khuất chuẩn log (dB)
8.0
8.0
8.0
Độ dốc tổn hao đường Y
3.5
3.5
3.5
Độ dự trữ che khuất chuẩn log (dB)
-10.3
-10.3
-10.3
Độ tin cậy (trong cell)
97%
97%
97%
Độ lợi chuyển giao mềm CDMA khi độ tương quan 50% (dB)
3.0
3.0
3.0
Tải lưu lượng CDMA (%)
50%
50%
50%
Hiệu suất tải lưu lượng CDMA (dB)
-3.0
-3.0
-3.0
Tổ hao đường tối đa cho phép (dB)
131.6
136.6
141.6
Bảng 10.4 Quỹ đường truyền tín hiệu thoại FL/DL của CDMA2000
(Quy ước: Calc là kết quả có được do tính toán)
CDMA2000
Tốc độ dữ liệu tối đa ngõ vào (bps)
9,600
9,600
9,600
Phương sai
Dạng
DL vùng thành thị
DL vùng ngoại ô
DL vùng nông thôn
Các thông số BS
Công suất phát của BS (Watts)
Input:
20.0
20.0
20.0
Công suất phát của BS (dBm)
Calc:
43.0
43.0
43.0
Overhead của đường đi (%)
Input:
25%
25%
25%
Công suất cấp phát cho tất cả thuê bao thoại (%)
Input:
100%
100%
100%
Công suất tổng cấp phát cho một thuê bao (%)
Input:
10%
10%
10%
Công suất lưu lượng phát tối đa của một thuê bao (Watts)
Cal