Quy hoạch dung lượng mạng, chương này cung cấp các lý thuyết về dung lượng, các công thức tính toán làm cơ sở tính toán số lượng thuê bao hệ thống, từ đó thiết kế mở rộng phần cứng

Lời giới thiệu Hiện nay nhu cầu về sử dụng dịch vụ thông tin di động đã trở nên rất phổ biến, đặc biệt là dịch vụ dữ liệu tốc độ cao, đây còn là một trong các tiêu chuẩn bắt buộc của ITU cho mạng thế hệ thứ 3(3G). Tại Việt Nam 2 mạng GSM hiện tại đang sử dụng công nghệ GPRS (General Packet Rate Service), truyền dữ liệu, nhưng vẫn chưa thể đáp ứng được các dịch vụ đòi hỏi băng thông rộng như truyền hình hội nghị..Trong bối cảnh như thế việc ra đời mạng thông tin di động sử dụng công nghệ CDMA của Sài Gòn Postel như một giải pháp hữu hiệu để giải quyết vấn đề này. Tuy nhiên việc đảm bảo , duy trì cho mạng hoạt động tốt lại là vấn đề không đơn giản. Để góp phần giải quyết vấn đề này, được sự hướng dẫn nhiệt tình của TS. Phạm Công Hùng, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, tác giả đã nghiên cứu đề tài “Quy hoạch mạng CDMA2000 1x “. Ngoài việc cung cấp cơ sở lý thuyết cho nhà khai thác mạng trong việc đảm bảo chất lượng mạng, đây còn là cơ sở cho việc mở rộng mạng sau này. Với mục đích đó luận văn được kết cấu thành 7 chương như sau: Chương 1: Giới thiệu sơ lược về lịch sử mạng thông tin di động CDMA, và vai trò của quy hoạch mạng trong đó, các vấn đề chính trong việc quy hoạch mạng Chương 2: Giới thiệu một số mô hình đường truyền và các vấn đề liên quan làm cơ sở cho việc tính toán truyền sóng Chương 3: Quy hoạch dung lượng mạng, chương này cung cấp các lý thuyết về dung lượng, các công thức tính toán làm cơ sở tính toán số lượng thuê bao hệ thống, từ đó thiết kế mở rộng phần cứng Chương 4: Quy hoạch cùng phủ sóng, chương này trình bầy các lý thuyết về vùng phủ sóng, tính toán vùng phủ sóng Chương 5: Quy hoạch PN đây là vấn đề nan giải trong mạng CDMA, nó giống như sử dụng lại tần số trong GSM, quy hoạch mà không tốt thì gây nhiều cho mạng, điều này đặc biệt quan trọng trong CDMA vì khi mà mức nhiễu nền tăng thì đồng nghĩa với nó là số thuê bao phục vụ đồng thời giảm Chương 6: Lý thuyết tối ưu hoá, chương này trình bầy một số vấn đề chính trong việc tối ưu hoá mạng, nghiên cứu mạng CDMA 2000 1x triển khai tại Việt Nam Do thời gian nghiên cứu cũng như khả năng bản thân có hạn nên luận văn không tránh khỏi sai sót, tác giả rất mong nhận được những ý kiến của các thầy cô, cũng như bạn bè đồng nghiệp Một lần nữa tác giả xin chân thành cảm ơn các Thầy cô, bạn bè, và các đồng nghiệp đã giúp đỡ trong thời gian vừa qua. Chương 1: Tổng quan mạng thông tin di động tế bào CDMA - Vấn đề quy hoạch mạng 1. Lịch sử và quá trình phát triển của thông di động tế bào CDMA Hình 1.1. Xu hướng phát triển của di động CDMA Ngày nay sự phát triển của thông tin số đang trở nên mạnh mẽ, đặc biệt là thông tin di động, tuy trải qua nhiều thế hệ khác nhau nhưng tại mỗi thời điểm thì CDMA luôn là công nghệ đáp ứng được các dịch vụ thoại và dữ liệu có chất lượng tốt hơn cho người sử dụng, đây là nền tảng của của thế hệ thứ 3 trong tương lai, là một công nghệ trải phổ nên nó cho phép nhiều người chiếm cùng băng tần cùng lúc, và họ sẽ phân biệt nhau bằng mã riêng. Tuy ra đời cách đây đã lâu, ý tưởng lúc đầu về CDMA là lý thuyết của shanon, vào khoảng những năm 1970 rồi được sử dụng trong quân sự , và theo thời gian nó được thương mại hoá trên thế giới. IS-95 one là chuẩn di động tế bào số CDMA đầu tiên, được giới thiệu lần đầu tiên vào tháng 7 năm 1993 bởi hiệp hội tiêu chuẩn công nghiệp viễn thông Mỹ, nó bao gồm CDMA IS - 95A và IS -95B IS-95 A là hệ thống tế bào thương mại đầu tiên do hiệp hội công nghiệp viễn thông Mỹ TIA giới thiệu. Chính thức khai thác vào tháng 12 năm 1996 tại Hồng Kông, đôi khi người ta còn gọi đây là công nghệ CDMA thế hệ 2 (2G) IS-95B hay còn gọi là thế hệ 2,5G ra đời sau IS-95A, đó là sự kết hợp giữa chuẩn IS-95A và một số chuẩn khác như ANSI-J-008 và TSB-74, trong đó ANSI-J-008 ban hành năm 1995 và là chuẩn của hệ thống PCS 1,8-2,0GHz CDMA. Còn TSB –74 mô tả tương tác giữa IS-95A và CDMA PCS để chúng tương thích nhau. Hệ thống thế hệ 2,5G này được triển khai lần đầu tiên vào tháng 9 năm 1999 tại Hàn Quốc và sau đó được chấp nhận tại một số nước khác như Nhật Bản và Peru.. Xu hướng di động hiện này chính là 3G và CDMA2000 chính là một trong các ứng cử viên đó, Hình 1.2. Các ứng cử viên cho mạng 3G CDMA 2000 phát triển theo 2 pha, là CDMA2000 1x và CDMA 2000 1xEV - CDMA 2000 1x có thể tăng gấp đôi dung lượng thoại so với mạng CDMAone và có thể hỗ trợ dữ liệu với tốc độ đỉnh là 307kbps trong môi trường di động. Thương mại hoá lần đầu tại Hàn Quốc vào tháng 10 năm 2000 bởi công ty SK Telecom. Rồi sau đó tại các nước châu á như Việt Nam (7/2003), Peru.. và một số nước khác. CDMA 2000 1xEV bao gồm CDMA 2000 1xEV-DO hỗ trợ việc truyền dữ liệu với tốc độ đến 2,4Mbps phù hợp với các ứng dụng đa phương tiện như nhạc MP3 và truyền hình hội nghị . Triển khai tại Hàn Quốc vào năm 2002 bởi SK Telecom và KT Freetel và CDMA 2000 1xEV-DV là sự tổ hợp của thoại và dịch vụ đa phương tiện tốc độ cao lên đến 3,09 Mbps. Hiện nay đã nghiên cứu thành công trong phòng thí nghiệm 2. Vấn đề quy hoạch mạng Tại Việt Nam một dự án hợp tác giữa Công ty SPT và SLD theo hình thức hợp đồng hợp tác kinh doanh BCC đã được thành lặp để triển khai mạng CDMA2000 1x , mạng chính thức đưa vào khai thác 1/7 năm 2003. Tính đến thời điểm này mạng đã và đang cung cấp các dịch vụ cơ bản như thoại fax và các dịch vụ dữ liệu tốc độ cao cho khách hàng trong cả nước, tuy nhiên diện phủ sóng hiện nay mới chỉ là các thành phố lớn ở phía Bắc và Nam cụ thể là đã phủ sóng được 12 tỉnh thành trong cả nước bao gồm Hà Nội, Hà Tây Quảng Ninh, Hải Phòng, Hải Dương, Hưng yên, Thành Phố Hồ Chí Minh, Bình Dương, Đồng Nai, Vũng Tàu. Trong năm tới sẽ tiến hành phase 2 tức là phủ sóng tất cả các tỉnh thành trong cả nước. Như vậy sẽ phải cắm thêm các trạm mới tính toán các vị trí trạm, tính dung lượng,....Để đảm bảo tốt các yêu cầu ký thuật đó thì cần phải có một sự quy hoạch mạng chi tiết trước khi triển khai, để giảm thiểu chi phí đồng thời đạt hiệu quả kinh tế cao. Không những thế việc quy hoạch mạng còn để duy trì các tham số, chỉ tiêu kỹ thuật của mạng Tuy nhiên trong khuôn khổ của luận văn tác giả chỉ trình bầy một số vấn đề chính về mặt kỹ thuật của quy hoạch mạng, nhằm cung cấp các lý thuyết cơ bản, cái nhìn tổng quan cho những nhà khai thác mạng Vấn đề quy hoạch ở đây có thể tách thành một số vấn đề chính như sau: vấn đề dung lượng mạng, truyền sóng, phủ sóng, PN offset, đó cũng chính là nội dung các chương tiếp theo của luận văn Chương 2: Mô hình đường truyền và một số vấn đề liên quan 2.1. Đặt vấn đề Trong hệ thống thông tin thì tỷ số tín hiệu trên tạp âm là một tham số quan trọng, trong hệ thống thông tin vô tuyến thì tỷ số này phụ thuộc các tham số theo phương trình sau (2.1) Trong đó : + ERP (Effective Radiated Power ) là công suất bức xạ hiệu quả của Antena, LP là tổn hao đường truyền, còn GR là tăng ích xử lý của Antena thu, N là công suất tạp âm ERP=PTLCGT (2.2) + PT: Công suất tại đầu ra của bộ khuyếch đại công suất máy phát + LC: Tổn hao cáp giữa khuyếch đại công suất phát và Antena phát + GT: Tăng ích của Antena phát + Đối với N tuy có nhiều loại nhưng ở đây ta chỉ xét công suất tạp âm nhiệt khi đó: N=kTW (2.3) + K: Hằng số Boltzmann: K=228.6 dBW/Hz/K + T: Nhiệt độ tạp âm của máy thu + W: Băng thông của hệ thống Như vậy C/N phụ thuộc vào các tham số như tăng ích Antena thu phát, công suất thu phát, nhiệt độ tạp âm nhiệt, tất cả các tham số này đều có thể căn chỉnh để cho hệ thống tối ưu tuy nhiên có một vài yếu tố mà ta không thể điều khiển được đó chính là tham số đường truyền hay tổn hao đường truyền Muốn biết được tham số này thì người ta phải dựa vào các mô hình dự đoán, vì các phần tiếp theo sẽ nghiên cứu về các mô hình dự đoán tổn hao cũng như các vấn đề khác của đường truyền 2.2. Các mô hình dự đoán tổn hao đường truyền 2.2.1. Môi trường outdoor 2.2.1.1. Mô hình tổn hao không gian tự do Trong không gian tự do sóng điện từ suy giảm theo hàm bình phương ngược của khoảng cách 1/d2 (2.4) hay: LP = -32,4-20log(fC)-20log(d) (2.5) Trong đó: + d (km): khoảng cách giữa máy thu và máy phát + l(mm): bước sóng của tín hiệu + fC (Mhz): tần số sóng mang của tín hiệu + LP(dB): tổn hao đường truyền của tín hiệu(L=loss, P=path) Số hạng thứ nhất và thứ 2 là hằng số hiệu dụng do vậy tổn hao đường truyền sẽ thay đổi theo khoảng cách d, với độ dốc của đường cong logarit là -20dB/decade Nhận xét: Mô hình tổn hao không gian tự do được sử dụng chủ yếu trong thông tin vệ tinh và các hệ thống thông tin khoảng cách xa khi mà tin hiệu chủ yếu là truyền trong không gian tự do. Trong hệ thống thông ti di động của chúng ta thì các tổn hao chủ yếu là do các vật cản mặt đất như toà nhà cây cối... thì mô hình này không phù hợp và cần sử dụng các mô hình dự đoán khác chính xác hơn. 2.2.1.2. Mô hình Hata-Okumura Xuất phát từ các kết quả đo thực tế trong các môi trường đường truyền di động được thực hiện bởi Okamura, và các công cụ xấp xỉ toán học, Hata đã xây dựng nên mô hình dự đoán tổn hao đường truyền Hata-Okumura. a). Vùng đô thị (urban area): LP= -K1- K2log(fC)+13.82log(hb)+a(hm)-[44.9-6.55log(hb)].log(d)- K0 (2.6) Trong đó: + LP(dB): tổn hao đường truyền + fC(=150-¸2000Mhz): tần số sóng mang của tín hiệu + hb(=30-¸200 m): chiều cao antenna trạm gốc + hm(=1-¸10 m): chiều cao antenna trạm di động + d (=1-¸20 km): khoảng giữa cách trạm gốc và trạm di động Chú ý: độ dốc ở đây là - [44.9-6.55log(hb)] dB/decade Tham số a(hm) và hệ số K0 được sử dụng để điều chỉnh chiều cao của antenna tuỳ theo môi trường: Nếu thành phố nhỏ hoặc trung bình thì : a(hm) = [1.1log(fC)-0.7].hm - [1.56log(f)-0.8] và K0 =0dB Nếu thành phố lớn thì : fC £ 200Mhz Þ a(hm) = 8.29[log(1.54hm )]2- 1.1 fC ³ 400Mhz Þ a(hm) = 3.2[log(11.75hm )]2- 4.97 và K0 =3dB Các hệ số K1 và K2 được sử dụng để giải thích về dải tần số, cụ thể là : Nếu 150Mhz£ fC £ 1000Mhz thì K1= 69.55 K2=21.16 Nếu 1500Mhz£ fC £ 2000Mhz thì K1= 46.3 K2=33.9 b). Vùng ngoại ô (suburban area): (2.7) c). Vùng mở (open area): (2.8) d). Nhận xét: Đây là mô hình được sử dụng rất rộng rãi trong các tool đường truyền môi trường thông tin di động tế bào bởi vì nó chứa nhiều tham số của đường truyền như như tần số, dải tần, chiều cao antenna thu phát, mật độ nhà. Mặc dù nó không bao quát hết được các vấn đề đường truyền nhưng thực tế nó lại rất hiệu quả trong các đô thị có mật độ cao 2.2.1.3. Mô hình Wdfish-ikegami (Cost 231) Mô hình này được sử dụng để ước lượng tổn hao đường truyền (LP ) trong môi trường đô thị cho hệ thống thông tin di động tế bào ở dải tần 800Mhz ¸2000Mhz. Thực tế mô hình này được sử dụng chủ yếu ở Châu Âu cho hệ thống GSM. Mô hình này chứa 3 phần tử là : tổn hao trong không gian tự do (Lf ), tổn hao tán xạ (Scatter) và nhiễu xạ (diffraction) rooftop-to-street (Lrts) và tổn hao che chắn (multiscreen ) (Lms) LP = Lf + Lrts + Lms  (2.9) Trong đó: + Lf = 32.4+20logd+20logfC dB + Lrts= -16.9-10.logW+10logfC+20logDhm+L0 dB + W(m): bề rộng của phố + Dhm= hr-hm (m) + L0=-9.646 dB nếu : 0£ f£350 + L0=2.5 + 0.075 (f-350) dB nếu : 35£ f£550 + L0=4-0.114(f-550) dB nếu : 55£ f£900 + f: là góc tới của phố Hình 2.1. Mô hình đường truyền COST123 Ta có: Lms= Lbsh+ka+kdlogd+kflogfC-9logb (2.10) + b(m): Khoảng cách giữa các toà nhà dọc theo đường truyền vô tuyến + Lbsh=-18log11+Dhb, nếu hb>hr = 0 nếu hb< hr + ka= 54 nếu hb>hr = 54- 0.8hb nếu d ³ 500m và hb£ hr = 54- 1.6Dhb.d nếu d < 500m và hb£ hr + Đối với thành phố trung bình với mật độ cây vừa phải + Đối với trung tâm đô thị Dải tham số cho mô hình 800 £ fC £ 2000 (Mhz) 4 £ hb £ 50 (m) 1 £ hm £ 3 (m) 0.02 £ d £ 5 (km) Một số giá trị mặc định cho mô hình b=20-50m W=b/2 f=900 Chiều cao của mái nhà R =3m đối với mái dốc và R = 0 với mái phẳng Khi đó chiều cao của toà nhà hr= tổng chiều cao các tầng+ R Thực hiện bước so sánh nhỏ giữa mô hình Hata-Okumura và Wdfish-ikegami thì có : Khoảng cách (km) Tổn hao đường truyền (dB) Mô hình Hata-Okumura Mô hình Wdfish-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 2.1. So sánh tổn hao đường truyền giữa mô hình Hata-Okumura và COST 123 Nhận thấy giá trị dự đoán tổn hao của mô hình Hata-Okumura bao giờ cũng thấp hơn từ 13-16dB, sở dĩ có điều này là vì mô hình Hata-Okumura đã bỏ qua ảnh hưởng của các yếu tố như bề rộng phố, tổn hao khúc xạ, tán xạ phố trong khi đó các yếu tố này lại xuất hiện trong mô hình Wdfish-ikegami 2.2.2. Môi trường Indoor Các nghiên cứu về lý thuyết và thực nghiệm đã chỉ ra rằng khi MS di chuyển bên trong của toà nhà thì nó sẽ chịu ảnh hưởng của phading Rayleigh do các vật cản trên đường truyền và phading Ricean do đường truyền sóng ngoài tầm nhìn thẳng (LOS, đường truyền nhìn thẳng là đường không có vật cản toà nhà , không có các phản xạ của tín hiệu). Nếu không xét đến kiểu nhà thì phading Rayleign là phading ngắn hạn vì các tín hiệu đa đường triệt tiêu nhau một phần khi tổng hợp tại máy thu MS . Phadinh Ricean là sự kết hợp của một đường LOS mạnh và phản xạ từ mặt đất cùng với một số các đường phản xạ yếu khác . Đối với CDMA việc xác định lượng suy hao truyền dẫn giữa các tầng là rất quan trọng và cần thiết để quy hoạch sử dụng lại các tần số giữa các tầng tránh được nhiễu đồng kênh. Có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng đến suy hoa đường truyền như loại vật liệu, kiểu cửa sổ toàn nhà, nội thất...Tuy nhiên một đặc điểm rất quan trọng ở đây là tổn hao giữa các tầng sẽ không tăng tuyến tính với khoảng cách (theo đơn vị dB). Tổn hao lớn nhất xảy ra khi máy thu và máy phát cách nhau một tầng đơn. Tổn hao đường truyền tổng cộng sẽ tăng với tỷ lệ nhỏ hơn so với tăng số lượng tầng, cụ thể là giá trị điển hình của suy hao giữa các máy thu và máy phát nếu cách nhau 1 tầng là 15dB, trong 4 tầng tiếp theo, thì suy hao sau mỗi tầng là từ 6-10dB cho tầng tiếp theo, sau đó nếu tăng số tầng lên nữa thì lượng suy hao chỉ còn là vài dB sau mỗi tầng. Trong trường hợp máy phát đặt bên ngoài toà nhà thì nghiên cứu đã chỉ ra rằng tín hiệu thu được bên trong nhà sẽ tăng theo chiều cao toà nhà bởi vì, đối với các tầng thấp hơn thì các cụm dân cư xung quanh làm cho suy hao lớn hơn nên giảm mức đâm xuyên. Với các tầng cao hơn có thể tồn tại đường truyền tầm nhìn thẳng (LOS) và vì vậy tín hiệu tới tường mặt ngoài của toà nhà mạnh hơn, khi đó tổn hao đâm xuyên là một hàm của tần số (tỷ lệ nghịch), và của chiều cao toà nhà (tỷ lệ nghịch). Nếu mặt đâm xuyên có cửa sổ thì thực nghiệm đã chỉ ra tổn hao cường độ tín hiệu bên trong toà nhà sẽ giảm được trung bình khoảng 6 dB so với không có cửa sổ, như vậy mức thu tín hiệu bên trong sẽ cải thiện được 6dB. Thực nghiệm cũng chỉ ra rằng tổn hao đâm xuyên sẽ giảm khoảng 2 dB/ tầng từ tầng mặt đất đến tầng thứ 10 và sau đó bắt đầu tăng, sự tăng này là do đóng góp của hiệu ứng che chắn của các toà nhà lân cận. Tổn hao đường truyền trung bình là hàm của khoảng cách giữa máy thu và máy phát trong toà nhà giữa các tầng là (2.11) Trong đó: + Tổn hao đường truyền trung bình giữa các tầng + Tổn hao đường truyền từ máy phát đến khoảng cách chuẩn, ở đây ta chọn khoảng cách chuẩn là + g: Độ dốc hàm tổn hao trung bình, đây là hàm của số tầng Nếu sử dụng hệ số suy hao tầng ( FAF= Floor Attennuation Factor ), tức là ta dự đoán tổn hao trung bình cho một tầng, của một kiểu nhà sau đó sử dụng hệ số suy hao tầng là một hàm của số tầng và kiểu nhà để tính theo công thức sau (2.12) Trong trường hợp máy thu và máy phát cùng một tầng, và giữa chúng có các bức vách ngăn cách mềm và bê tông thì công thức tổn hao cho cùng tầng sẽ là (2.13) Trong đó: + p: Số vách ngăn giữa máy thu và máy phát + q: Số bức tường bê tông giữa máy thu và máy phát + AF= 1,39 dB cho mỗi vách ngăn + AF= 2,38 dB cho mỗi tường bê tông 2.3. Trễ trải phổ đa đường Hiện tượng đa đường xảy ra khi tín hiệu đến máy thu trực tiếp từ máy phát và gián tiếp thông qua các vật cản và phản xạ. Lượng tín hiệu phản xạ tuỳ thuộc vào nhiều yếu tố như góc tới, tần số sóng mang, sự phân cực sóng tới. Bởi vì quãng đường đi của các sóng trực tiếp và gián tiếp khác nhau nên thời điểm tới của các sóng cũng khác nhau. Hình 2.2 minh hoạ điều này Hình 2.2. Vấn đề đa đường trong thông tin di động Hình 2.3. Ví dụ về trễ trải phổ Một xung phát đi ở thời điểm 0, giả sử có hiện tượng phản xạ đa đường, máy thu cách trạm gốc khoảng 1km sẽ thu được một số xung, đây chính là hiện tượng trải phổ. Nếu sai số thời gian Dt là đáng kể so với chu kỳ ký hiệu (symbol) thì có thể xảy ra nhiễu xuyên ký hiệu, tốc độ truyền dữ liệu càng lớn thì càng dễ xảy ra hiện tượng nhiễu xuyên ký hiệu. Trường hợp các ký hiệu đến sớm hay muộn hơn chu kỳ của nó thì có thể xảy ra hiện tượng mất hoặc trượt ký hiệu. 2.4. Hiện tượng che chắn đường truyền Chúng ta đều biết rằng tín hiệu khi di chuyển từ máy phát đến máy thu thì bị tổn hao, có nhiều loại tổn hao nhưng chủ yếu vẫn là tổn hao đường truyền do khoảng cách và tổn hao che chắn do xuất hiện các vật cản giữa máy thu và máy phát như toà nhà, cây cối, xe cộ trên đường... Các tổn hao này sẽ làm cho mức công suất thu được tại máy thu giảm, có thể dẫn đến rớt cuộc gọi. Mức giảm công suất này xảy ra với nhiều bước sóng khác nhau và được gọi là fading chậm, phading chậm thường được mô hình hoá bằng phân bố chuẩn logarit nên cũng gọi là fading chuẩn logarit Nguyên nhân gây ra phân bố chuẩn logarit là tín hiệu thu được tại máy thu là tổng hợp của các tín hiệu trực tiếp từ máy phát và một phần gián tiếp phản xạ hoặc xuyên qua từ các vật cản khác nhau như toà nhà cây cối..Qua mỗi vật cản tín hiệu bị suy giảm một phần, kết quả là tín hiệu thu được sẽ phụ thuộc vào các yếu tố truyền dẫn của các vật cản này. Khi các yếu tố này nhiều lên, thì lý thuyết giới hạn chỉ ra rằng phần bố tổng sẽ là phân bố Gaussion 2.5. Phading đa đường Có những thời điểm khi mà máy thu không nhìn thấy máy phát do các vật che chắn, lúc đó máy thu của MS vẫn thu được tín hiệu, đây là tổng hợp của các tín hiệu phản xạ từ các vật thể trên đường truyền, trong số các tín hiệu thu được không có tín hiệu nào trội hơn hơn hẳn. Các đường truyền của các tín hiệu khác nhau nên thời điểm các tín hiệu đến máy thu khác nhau, biên độ và pha của các tín hiệu khác nhau. Cả lý thuyết và thực nghiệm đã chứng minh rằng đường bao tín hiệu sóng mang thu được đối với MS di động theo phân bố Rayleigh. Kiểu phading này gọi là phading Rayleigh. Mô hình lý thuyết đã chỉ ra rằng nếu có N đường tín hiệu phản xạ thì tín hiệu tổng hợp thu được tại MS là: (2.14) Mỗi tín hiệu thu được có biên độ và tần số sóng mang f. Độ dịch tần do hiệu ứng Doppler khi MS di động là . Nếu hướng di động của MS song song với tín hiệu thì dịch tần Doppler là (2.15) Trong đó: n là tốc độ di động của MS. l là bước sóng của sóng mang Biến đổi tương đương (2.6) theo dạng biên độ(Quadrature) và pha(I-phase) ta đượcs (2.16) Với thành phần pha là (2.17) Thành phần biên độ là (2.18) Các thừa số trong tổng (2.8) và (2.9) là độc lập và phân bố giống hệt nhau theo các biến ngẫu nhiên. Vì vậy nếu N lớn cả 2 tổng này đều bằng 0. Biên độ tín hiệu đường bao là (2.19) Khi đó sẽ xuất hiện phân bố Rayleigh, phân bố này có hàm mật dộ xác suất là với R³ 0 (2.20) Và p(R) = 0 với R < 0 (2.21) Bởi vì kiểu phading này thay đổi rất nhanh nên đôi khi gọi là phading nhanh Ví dụ : đối với băng tần di động CDMA 900Mhz, tốc độ di chuyển là 90km/h(25m/s) thì - Bước sóng là - Khi đó thời gian giữa 2 lần phading là - Dịch tần Doppler trong trường hợp này là Chương 3: Quy hoạch dung lượng mạng 3.1. Đặt vấn đề Khái niệm dung lượng nói chung đề cập đến nhiều vấn đề và rất phức tạp nhưng ở đây chỉ đề cập đến dung lượng của phần vô tuyến tức là đề cập về số người sử dụng tối đa mà trạm gốc có thể cung cấp nhằm đảm bảo chất lượng chất lượng thông tin. Do đó từ đây về sau khi nói dung lượng của hệ thống tức là dung lượng của trạm gốc. Đối với hệ thống CDMA thì số người sử dụng (MS=Mobile Station) tối đa mà hệ thống(trạm gốc) có thể cung cấp đối với tuyến xuống tức là từ BTS ®MS sẽ khác đối với tuyến lên tức là từ MS®BTS. Thông thường thì dung lượng của hệ thống CDMA tuỳ thuộc vào dung lượng của tuyến lên vì dung lượng của tuyến xuống được quyết định bởi tổng công suất phát của trạm gốc(cell site) và sự phân bố công suất đối với kênh lưu lượng và các kênh mào đầu(Overhead) khác như kênh pilot, kênh nhắn tin(paging channel), kênh đồng bộ(synchronous channel). Nếu công suất của trạm gốc không đủ để cung cấp cho các kênh lưu lượng tuyến xuống thì dung lượng hệ thống có thể bị hạn chế. Các chuyển giao mềm của tuyến lên có thể cải thiện dung lượng của tuyến lên, tuy nhiên chúng cũng ảnh hưởng cụ thể là giảm đến dung lượng tuyến xuống. Việc quy hoạch dung lượng tức là tính toán sao cho tối ưu hoá hệ thống nhằm đạt được số người sử dụng tối đa, trong khi vẫn đảm bảo chất lượng dịch vụ(QoS= Quality of Service) và chi phí tối thiểu. Đồng thời tính toán mở rộng được dung lượng khi cần thiết Chương này sẽ trình bầy các khái niệm, các kỹ thuật cơ bản trong việc quy hoạch dung lượng mạng. 3.2. Các khái niệm cơ bản 3.2.1. Mật độ lưu lượng Trước khi bàn về lưu lượng chúng ta sẽ định nghĩa đơn vị của nó. Lưu lượng được đo bằng mật độ lưu lượng, với đơn vị là Erlang, do vậy khi nói về lưu lượng ta hiểu đó là mật độ lưu lượng. Có nhiều định nghĩa về Erlang nhưng đơn giản nhất thì một Erlang là một kênh thông tin làm việc trong 1giờ Ví dụ: Thống kê từ lúc 8 -9 giờ cho thấy thời gian chiếm dụng kênh tổng cộng của trạm di động đối với trạm gốc là 1200 phút thì mật độ lưu lượng của trạm gốc là: 3.2.2. Tải hệ thống Dự báo tải lưu lượng (Traffic demand = offered Load) là một vấn đề quan trong trong việc quy hoạch mạng nói chung và trạm gốc nói riêng, tuy nhiên nhu cầu này không thể đo trực tiếp được, mà chỉ có thể ước lượng gián tiếp. Cái mà ta có thể đo trực tiếp được chính là tải sóng mang(carried load) của trạm gốc. Mối quan hệ giữa chúng có thể ước lượng theo phương trình sau (3.1) Tải lưu lượng là đòi hỏi của người sử dụng với mạng, còn tải sóng mang là khả năng thực tế mà mạng có thể cung cấp được, sự chênh lệch này chính là phần bị nghẽn (Blocking) mà ta sẽ đề cập trong phần tiếp theo đây. 3.3. Cấp dịch vụ 3.3.1. Đặt vấn đề Trước hết chúng ta cần làm rõ 2 khái niệm là tỷ lệ nghẽn (Blocking rate) và xác suất nghẽn (Blocking probability). Tỷ lệ nghẽn chính là số lượng đo được của một trạm gốc xác định nào đó, còn xác suất nghẽn là xác suất mà một cuộc gọi bị nghẽn do không còn kênh, xác suất này là hàm số của tải lưu lượng mong muốn và số kênh sẵn có theo quan hệ tỷ lệ thuận với tải, và tỷ lệ nghịch với số kênh, và nó sẽ tăng khi nhu cầu tải tăng. Trong thực tế người ta còn gọi xác suất nghẽn là cấp độ dịch vụ(GoS= Grade of Service), GoS được đánh giá bằng các mô hình toán học, điển hình là mô hình Erlang-B và Erlang-C mà ta sẽ xét trong phần tiếp theo 3.3.2. Mô hình Erlang-B Mô hình này giả thiết các cuộc gọi bị nghẽn sẽ cố gắng để gọi lại tuy nhiên không phải ngay lập tức. Khi đó xác suất nghẽn Pm hay cấp dịch vụ GoS là: (3.2) Với: + M: số kênh (số người sử dụng) mà trạm có thể phục vụ + Các cuộc gọi đến theo phân bố Poisson có nghĩa là thời gian giữa các cuộc gọi đến theo phân bố hàm mũ, các cuộc gọi bị nghẽn không thể gọi lại ngay + Tải lưu lượng trung bình của cell là: (Erlang) (3.3) + l là số di động(người sử dụng) trung bình trong 1giây + 1/m (giây) là thời gian trung bình cuộc gọi Mối quan hệ giữa các tham số trong (3.2) với 3 giá trị QoS khác nhau được thể hiện bằng đồ thị hình 3.1 3.3.3. Mô hình Erlang-C Điểm khác biệt của mô hình này so với mô hình Erlang-B là ở chỗ các cuộc gọi mà bị nghẽn sẽ tiếp tục gọi lại cho đến khi thành công thì thôi, các cuộc gọi lại được mô hình hoá như một hàng đợi tức là sẽ không bị mất mà bị trễ lại cho đến khi có thể. Xác suất theo Erlang-C bằng xác suất các cuộc gọi bị trễ, hay xác suất trễ P (3.4) Các giả thiết về M, h như mô hình Erlang-B. Mối quan hệ ở (3.4) được biểu diễn trên hình (3.2) với 3 xác suất trễ khác nhau Nhận xét: Qua 2 đồ thị hình 3.1 và hình 3.2 ta thấy mô hình Erlang-C cần nhiều kênh hơn Erlang-B để đáp ứng tải lưu lượng và xác suất nghẽn Ví dụ: Trong giờ bận ví dụ từ lúc 5 đến 6 giờ chiều, một trạm gốc thống kê được tải sóng mang là 10 Erlang, cùng thời gian đó tỷ lệ nghẽn kênh là 9%. Nếu muốn tỷ lệ nghẽn là 1% thì cần phải sử dụng bao nhiêu kênh ở trạm gốc -Ta có tải lưu lượng là, theo (3.2) -Tra bảng Erlang-B với xác suất nghẽn 1% ta được số kênh cần thiết là 19 kênh, nếu tra bảng Erlang-C số kênh là 20 kênh. Rõ ràng Erlang-C cần nhiều kênh hơn Erlang-B 3.4. Một số khái niệm khác trong hệ thống CDMA 3.4.1. Đặt vấn đề Như ta đã biết đối với các hệ thống di động nói chung thì các cuộc gọi tới trạm gốc sẽ bị nghẽn khi không còn kênh. Đây là nghẽn cứng, tuy nhiên trong hệ thống CDMA thì lại khác, khi số người sử dụng tăng lên thì mức nhiễu cũng tăng, làm ảnh hưởng đến chất lượng dịch vụ. Bởi vì các trạm gốc cùng dùng chung phổ tần vô tuyến nên nhiễu tăng làm cho tỷ lệ mất khung khung(FER=Frame Erase Rate)