Tăng độ phủ sóng và tăng dung lượng trong mạng 3G

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)=1-12.π∞e-x22dxμ-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 12.π∞e-x22dxμ-10.n.logrδ: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 Fu=12.1-erfx+e1-2xyy2.1-erf1-xyy (10.2) Với y=10.n.log10eδ.2 x=-μδ.2 erfx=2p.0xe-t2dt 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]. ηUL=1+IocIscj=1Nu11+WEb/NoRjvj (10.3) Với Nu: số thuê bao; vj: 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]; IocIsc :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 ηDL=j=1NuvjEb/Noj1+WEb/NoRjvj1+IocIsc-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 Eb/No 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 Eb/No (dB) Downlink Eb/No (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 Eb/Nokhởi tạo (dB) 5.5 5.5 5.5 Độ lệch chuẩn của Eb/No (dB) 0.0 0.0 0.0 Eb/No 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 Eb/No khởi tạo (dB) 4.2 4.2 4.2 Độ lệch chuẩn của Eb/No (dB) 0.0 0.0 0.0 Eb/No 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) Calc: 1.5 1.5 1.5 Công suất lưu lượng phát tối đa của một thuê bao (dBm) Calc: 32 32 32 Tổn hao bộ kết hợp của BS (dB) Input: 0.0 0.0 0.0 Tổn hao cáp của BS (dB) Input: -1.0 -1.0 -1.0 Độ lợi anten của BS (dBi) Input: 18.0 18.0 18.0 EIRP/thuê bao (dBm) Calc: 48.8 48.8 48.8 Các thông số MS Độ lợi anten của MS (dBi) Input: 0.0 0.0 0.0 Tổn hao bộ kết hợp của MS (dB) Input: 0.0 0.0 0.0 Tổn hao cáp thu của MS (dB) Input: 0.0 0.0 0.0 Hệ số nhiễu FLMS (dB) Input: 8 8 8 Nhiễu nhiệt (dBm/Hz) Calc: -174 -174 -174 Mật độ nhiễu bộ thu của MS (dBm/Hz) Calc: -166 -166 -166 Tốc độ dữ liệu tối đa (dB) Calc: 39.8 39.8 39.8 Trị Eb/No khởi tạo (dB) Input: 6.0 6.0 6.0 Độ lệch chuẩn của Eb/No (dB) Input: 0.0 0.0 0.0 Eb/No trung bình (dB) Calc: 6.0 6.0 6.0 Mật độ MS hiệu dụng (dBm) Calc: -120.2 -120.2 -120.2 Các độ dự trữ của việc thiết kế mạng Tổn hao khối (dB) Input: 0.0 0.0 0.0 Tổn hao xuyên nhà (dB) Input: -20.0 -15.0 -10.0 Độ tin cậy (tại biên cell) Input: 90% 90% 90% Độ lệch chuẩn vùng bóng Loga trung bình (dB) Input: 8.0 8.0 8.0 Độ lệch chuẩn che khuất chuẩn log (dB) Calc: -10.3 -10.3 -10.3 Độ lợi chuyển giao mềm khi tương quan 50% (dB) Input: 3.0 3.0 3.0 Tải lưu lượng (%) 50% 50% 50% Độ dự trữ can nhiễu (tăng nhiễu) (dB) Input: -3.0 -3.0 -3.0 Tổ hao đường tối đa cho phép (dB) 137.9 142.9 147.9 Bảng 10.5 Quỹ đường truyền tín hiệu thoại FL/DL của WCDMA (Quy ước: Calc là kết quả có được do tính toán) WCDMA Tốc độ dữ liệu tối đa ngõ vào (bps) 1,200 1,200 1,200 Biến 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: 0% 0% 0% Công suất cấp phát cho tất cả thuê bao thoại (%) Input: 100% 100% 100% Công suất tổng cấp phát / thuê bao (%) Input: 10% 10% 10% Công suất lưu lượng phát tối đa của một thuê bao (Watts) Calc: 2 2 2 Công suất lưu lượng phát tối đa của một thuê bao (dBm) Calc: 33 33 33 Tổn hao bộ kết hợp của BS (dB) Input: 0.0 0.0 0.0 Tổn hao cáp của BS (dB) Input: -1.0 -1.0 -1.0 Độ lợi anten của BS (dBi) Input: 18.0 18.0 18.0 EIRP/thuê bao (dBm) Calc: 50 5 50 Các thông số MS Độ lợi anten của MS (dBi) Input: 0.0 0.0 0.0 Tổn hao bộ kết hợp của MS (dB) Input: 0.0 0.0 0.0 Tổn hao cáp thu của MS (dB) Input: 0.0 0.0 0.0 Hệ số nhiễu của MS (dB) Input: 8 8 8 Nhiễu nhiệt (dBm/Hz) Calc: -174 -174 -174 Mật độ nhiễu bộ thu của MS (dBm/Hz) Calc: -166 -166 -166 Tốc độ dữ liệu tối đa (dB) Calc: 40.9 40.9 40.9 Trị Eb/No khởi tạo (dB) Input: 7.0 7.0 7.0 Độ lệch chuẩn của Eb/No (dB) Input: 0.0 0.0 0.0 Eb/No trung bình (dB) Calc: 7.0 7.0 7.0 Mật độ MS hiệu dụng (dBm) Calc: -118.1 -118.1 -118.1 Các độ dự trữ của việc thiết kế mạng Tổn hao khối (dB) Input: 0.0 0.0 0.0 Tổn hao xuyên nhà (dB) Input: -20.0 -15.0 -10.0 Độ tin cậy (tại biên cell) Input: 90% 90% 90% Độ lệch chuẩn che khuất chuẩn log (dB) Input: 8.0 8.0 8.0 Độ dự trữ che khuất chuẩn log (dB) Calc: -10.3 -10.3 -10.3 Độ lợi chuyển giao mềm khi tương quan 50% (dB) Input: 3.0 3.0 3.0 Tải lưu lượng (%) 50% 50% 50% Độ dự trữ can nhiễu (tăng nhiễu) (dB) Input: -3.0 -3.0 -3.0 Tổ hao đường tối đa cho phép (dB) 135.9 140.9 145.9 Các ứng dụng dữ liệu Bảng 10.6 và 10.7 trình bày các quỹ đường uplink và downlink cho một kênh của người đi đường A (Ped. A) dùng WCDMA. Đối với đường downlink (bảng 10.6), ta giả sử rằng 80% tổng công suất lưu lượng đang có là dành cho tín hiệu dữ liệu của các thuê bao. Ngoài ra, công suất tối đa cho mỗi thuê bao bị giới hạn lại bằng 30% tổng công suất lưu lượng. Hình 10.2 Độ phủ sóng và dung lượng cho tín hiệu thoại của WCDMA 12.2-Kbps trong đường uplink và downlink. Hình 10.3 so sánh độ phủ sóng và dung lượng của thuê bao dùng tín hiệu dữ liệu trong khu vực thành thị. Tương tự với ứng dụng thoại, đường uplink vẫn có giới hạn về độ phủ sóng cho thuê bao dùng tín hiệu dữ liệu. Chú ý rằng khoảng phủ sóng cell được xác định theo tổn hao truyền dẫn thấp nhất cho phép. Độ phủ sóng tín hiệu thoại cho đường uplink nhỏ hơn đường downlink trong mọi mội trường và đối với cả hai hệ thống CDMA2000 và WCDMA. Điều này thích hợp cho các dịch vụ 3G không đối xứng, chẳng hạn như việc thiết kế độ phủ sóng có thể được thực hiện dựa trên đường uplink và hỗ trợ tốc độ dữ liệu cao hơn cho đường downlink. Khi tốc độ bit tăng, độ phủ sóng sẽ hẹp lại. Bảng 10.6 Quỹ đường truyền dữ liệu UL của WCDMA Các thông số WCDMA UL vùng thành thị UL vùng ngoại ô UL vùng nông thôn Môi trường di động Ped. A Ped. A Ped. A Chỉ tiêu FER 10.00% 10.00% 10.00% Tốc độ dữ liệu tối đa (bps) 6,400 6,400 6,400 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 Lưu lượng EIRP (dBm) 23.0 23.0 23.0 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) 48.1 48.1 48.1 Trị Eb/No khởi tạo (dB) 2.2 2.2 2.2 Độ lệch chuẩn của Eb/No (dB) 0.0 0.0 0.0 Eb/No trung bình (dB) 2.2 2.2 2.2 Mật độ BS hiệu dụng (dBm) -120.7 -120.7 -120.7 Các độ dự trữcho việc thiết kế mạng Tổn hao khối (dB) 0 0 0 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) 2.0 2.0 2.0 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) 129.5 134.5 139.5 Bảng 10.7 Quỹ đường truyền DL của WCDMA Biến DL vùng thành thị DL vùng ngoại ô DL vùng nông thôn Chỉ tiêu FER 10.00% 10.00% 10.00% Tốc độ dữ liệu tối đa (bps) 384,000 384,000 384,000 Các thông số của BS Công suất phát của BS (Watts) 20.0 20.0 20.0 Công suất phát của BS (dBm) 43.0 43.0 43.0 Công suất cấp phát cho tất cả thuê bao dữ liệu (%) 80% 80% 80% Công suất dữ liệu tối đa / thuê bao (%) 30% 30% 30% Công suất lưu lượng phát tối đa của một thuê bao (Watts) 4.8 4.8 4.8 Công suất lưu lượng phát tối đa của một thuê bao (dBm) 36.8 36.8 36.8 Tổn hao bộ kết hợp của BS (dB) 0.0 0.0 0.0 Tổn hao cáp của BS (dB) -1.0 -1.0 -1.0 Độ lợi anten của BS (dBi) 18.0 18.0 18.0 EIRP/thuê bao (dBm) 53.8 53.8 53.8 Các thông số của MS Độ lợi anten của MS (dBi) 0.0 0.0 0.0 Tổn hao bộ kết hợp của MS (dB) 0.0 0.0 0.0 Tổn hao cáp thu của MS (dB) 0.0 0.0 0.0 Hệ số nhiễu của MS (dB) 8 8 8 Nhiễu nhiệt (dBm/Hz) -174 -174 -174 Mật độ nhiễu bộ thu của MS (dBm/Hz) -166 -166 -166 Tốc độ dữ liệu tối đa (dB) 55.8 55.8 55.8 Trị Eb/No khởi tạo (dB) 5.3 5.3 5.3 Độ lệch chuẩn của Eb/No (dB) 0.0 0.0 0.0 Eb/No trung bình (dB) 5.3 5.3 5.3 Mật độ MS hiệu dụng (dBm) -104.9 -104.9 -104.9 Các độ dự trữ của việc thiết kế mạng Tổn hao khối (dB) 0.0 0.0 0.0 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 dự trữ che khuất chuẩn log (dB) -10.3 -10.3 -10.3 Độ lợi chuyển giao mềm CDMA khi độ tương quan 50% (dB) 2.0 2.0 2.0 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) 127.4 132.4 137.4 Từ kết quả ở hình 10.2 và 10.3, ta thấy Đường downlink có tổn hao đường tối đa cho phép (MAPL) cao hơn đường uplink đối với các dịch vụ bất đồng bộ (VD: dịch vụ thoại và dữ liệu có tốc độ tối đa 64Kbps ở cả 2 tuyến). Điều này ngụ ý rằng trong các trường hợp đó, độ phủ sóng đường uplink sẽ bị giới hạn. Có nghĩa là một vài công suất phát trạm gốc lẽ ra sẽ được dùng hết trong một cell có kích cỡ lớn hơn trong đường downlink thì bây giờ sẽ có thể được dùng để hỗ trợ dữ liệu có tốc độ cao hơn đường downlink tại biên cell. Trong trường hợp dịch vụ bất đồng bộ (VD: 384 Kbps ở đường downlink và 64Kbps ở đường uplink), độ phủ sóng đường downlink có thể bị giới hạn. Hệ số tải ở đường downlink cao hơn nhiều đường uplink. Ngoài ra, trạm gốc có thể sẽ hết công suất nhanh hơn trong trường hợp dịch vụ thoại, vì trong đó, dung lượng hệ thống có khả năng bị giới hạn về công suất hơn so với giới hạn số từ mã. Hình 10.3 Độ phủ sóng và dung lượng dữ liệu của hệ thống WCDMA 64-Kbps trong đường uplink và downlink Trong các hệ thống CDMA, luôn có sự tương quan giữa độ phủ sóng và dung lượng. Để phát triển kích cỡ của một cell, đặc biệt là trong giai đoạn triển khai đầu tiên, hệ thống mạng được thiết kế với hệ số tải uplink thấp sẽ làm giới hạn dung lượng của hệ thống. Tăng dung lượng sẽ yêu cầu tăng thỉ tiêu hệ số tải, sẽ làm kích thước cell nhỏ hơn. Các hệ số tải đường uplink cho tín hiệu thoại và dữ liệu 64Kbps được trình bày ở hình 10.4 và 10.5. Giới hạn về độ phủ sóng và dung lượng mạng Để xác định cách tối ưu và làm tối đa tác động của việc dùng anten thông minh để tăng chất lượng hệ thống, đầu tiên ta cần xác định các khu vực nào yêu cầu về chất lượng hoặc, chính xác là, ta cần xác định liệu hệ thống có độ phủ sóng hoặc dung lượng giới hạn hay không và tuyến nào là tuyến giới hạn. Hình 10.4Độ tăng can nhiễu thoại của WCDMA 12.2-Kbps với tải đường uplink. Hình 10.5 Độ tăng can nhiễu thoại của WCDMA 64-Kbps với tải đường uplink. Các giới hạn về độ phủ sóng Nhìn chung, đối với các dịch vụ có tốc độ bit thấp như thoại và đối với tải cell nhỏ (trường hợp thông lượng nhỏ), thì đường uplink là đường có độ phủ sóng giới hạn. Nguyên nhân chính là tùy thuộc vào giới hạn của công suất phát của thiết bị di động và bất chấp các hệ số khác của đường uplink tại trạm gốc, như phân tập anten thu và thiết kế bộ thu tốt hơn. Mặt khác, vì số lượng thuê bao tăng lên và/hoặc tốc độ bit cao hơn (nghĩa là, thông lượng sector có thể tăng lên, bằng cách tăng chỉ tiêu tải đườ nguplink chẳng hạn), nên đường downlink sẽ bị giới hạn. Được biểu diễn ở hình 10.6, tốc độ đường downlink là 384 Kbps và đường uplink là 64 Kbps, độ phủ sóng đường xuống bị giới hạn. Nguyên nhân là do trong đường downlink, công suất phát tối đa là giống nhau, bất chấp số lượng thuê bao hoặc tốc độ bit của các thuê bao đó, và luôn được chia sẻ giữa đường downlink của mọi thuê bao, trong khi trong đường uplink, mỗi thuê bao thêm vào đều có bộ khuếch đại công suất riêng. Do đó, trong đường downlink, để làm tối đa tổng công suất của trạm gốc, những thuê bao có các giới hạn về công suất phụ thuộc vào số lượng người dùng trong cell và tốc độ bit của các thuê bao đó. Giới hạn công suất này có thể trở thành hệ số quyết định độ phủ sóng. Hình 10.6 Độ phủ sóng và dung lượng cho tín hiệu dữ liệu của WCDMA 384/64 Kbps trong đường uplink và downlink. Các giới hạn về dung lượng mạng Hai hệ số chính quyết định đường truyền nào làm giới hạn dung lượng hệ thống là công suất phát trạm gốc và hệ số tải chỉ tiêu đường uplink. Như ta đã khảo sát, có mối tương quan giữa độ phủ sóng và dung lượng;Khi tăng thông lượng sector (nói cách khác, là tăng dung lượng hoặc số thuê bao) thì độ phủ sóng sẽ hẹp lại. Thông thường, việc thiết kế hệ thống ban đầu là dựa vào yêu cầu phủ sóng, tức là lý do tại sao mà hệ số tải chỉ tiêu của đường uplink ban đầu thấp để khu vực phủ sóng sẽ tối đa. Điều này sẽ dẫn đến việc dung lượng đường uplink sẽ bị giới hạn khi tải đạt đến mức tải đường uplink tối đa trước khi trạm gốc hết công suất phát. Đối với mạng được thiết kế có tải đường uplink cao, như môi trường thành thị, hệ thống này có thể bị giới hạn về độ phủ sóng khi trạm gốc hết công suất phát trước khi tiếp cận tải đường uplink. Đều này đặc biệt đúng khi lưu lượng kênh không đồng bộ với lưu lượng đường downlink có tốc độ cao hơn. Bảng 10.8 liệt kê các yếu tố then chốt làm tăng dung lượng và độ phủ sóng đường downlink và uplink cho các tuyến bị giới hạn. Các kỹ thuật có thể được dùng để làm giảm tính giới hạn của đường truyền được liệt kê ở bảng 10.9 Bảng 10.8 Giảm tính giới hạn của đường truyền Đường truyền Độ phủ sóng Dung lượng Hệ số giới hạn Nguyên nhân Hệ số giới hạn Nguyên nhân Uplink Yêu cầu ERPdi động. Tốc độ dữ liệu cao nhất MAPL tỉ lệ nghịch với tốc độ dữ liệu Tải đường uplink. Số thuê bao hoạt động trong một sector Hệ số chỉ tiêu tải đường uplink thấp. Lưu lượng đối xứng. Downlink Công suất BS chia sẽ trong đường downlink của mọi thuê bao Công suất phát BS. Các kênh lưu lượng trong một sector Hệ số chỉ tiêu tải đường uplink cao Lưu lượng không đối xứng Bảng 10.9Kỹ thuật tăng dung lượng và độ phủ sóng Đường truyền Độ phủ sóng Dung lượng Chỉ tiêu Giải pháp Chỉ tiêu Giải pháp Uplink MAPL của UL nhỏ hơn MAPL của DL Tăng quỹ đường UL Tải UL đạt ngưỡng cực đại. Tỏng công suất BS dưới mức cực đại. Tăng biểu thức tải UL. Tăng tỉ số Eb/No. Downlink MAPL của DL nhỏ hơn MAPL của UL Tăng quỹ đường DL Tải UL dưới mức cực đại. Công suất phát BS đạt cực đạt Tăng biểu thức tải DL. Tăng quỹ đường DL Tăng tỉ số Eb/No đường DL. Tác động của anten thông minh đến độ phủ sóng và dung lượng đường uplink Vì độ phủ sóng đường uplink bị giới hạn, ngoại trừ đối với dữ liệu có tốc độ rất cao hoặc những dung lượng PA thấp (VD: các microcell), nênphần này sẽ tập trung vào vấn đề làm tăng độ phủ sóng bằng cách dùng anten mảng tại trạm gốc. Mật độ của bộ thu BS này được xác định bằng hệ số nhiễu, tốc độ symbol tối đa thu được, mức nhiễu của môi trường RF, và điểm khởi tạo Eb/No. Nếu ta có thể giảm độ nhạy yêu cầu thì sẽ làm tăng dung lượng và/hoặc làm giảmcông suất phát di động. Độ nhạy máy thu lấy từ [4] là S=CN+IMAI=CItot10.5 Với: C là công suất sóng mang. N và IMAI là công suất nhiễu và can nhiễu đa truy cập. Và tải của cell là (rút ra từ [5]) α=IMAIItot (10.6) Với can nhiễu đa truy cập là IMAI=ISC+IOC (10.7) Nếu anten thông minh có thể làm giảm độ nhạy máy thu cần thiết về S’, thì sẽ làm tăng dung lượng thêm β và giảm công suất đi một lượng α như sau S'=CN'+I'M=δ.C1-αItot+βδαItot (10.8) Ta có dung lượng và độ giảm công suất như sau β=δSS'+α-1δα10.9 δ=(1-α)SS'-βα10.10 Trong hình 10.7, ta vẽ δ là một hàm theo độ lợi của mạng, có được bằng cách dùng anten thông minh cho các hệ số tải khác nhau. Độ lợi mạng được xác định là tổng của tổng độ lợi trực tiếp, độ lợi hoặc tổn hao phân tập, và các loại tổn hao khác, như tổn hao kết hợp tương ứng với một vài quá trình thực hiện kỹ thuật búp cố định. Trong một hệ thống có 75% tải, một độ lợi 1 dB của độ nhạy máy thu có thể làm giảm công suất đi 3 dB. Khi công suất phát giảm, tuổi thọ pin của thiết bị di động sẽ tăng Mặt khác, nếu cùng một công suất phát của thiết bị di động được giữ lại, sẽ đồng nghĩa với việc mởrộng phạm vi hoạt động. Hình 10.8 biểu diễn khả năng tăng dung lượng mong muốn nhưng không làm giảm công suất. Độ lợi 3 dB có 40% tải hệ thống tương đương với việc tăng dung lượng lên khoảng 250%. Tuy nhiên, trong trường hợp trên, nếu ta cho dung lượng tăng lên, tải hệ thống cũng sẽ tăng. Hình 10.7 Độ giảm công suất và độ lợi. Hình 10.8 Độ tăng của dung lượng với độ lợi của mạng lưới khi công suất không giảm. Để kiểm soát và duy trì cùng một tải hệ thống này, công thức làm tăng dung lượng hệ thống bên trên được sửa lại như sau β=δSS'1-α+δα10.11 Biểu diễn biểu thức (10.11) ở hình 10.9 trong một hệ thống có 50% tải cho các hệ số giảm công suất khác nhau. Đối với độ lợi 3 dB, công suất có thể giảm 50% và dung lượng sẽ tăng 33%. Có thể tăng dung lượng lên 67.5% khi độ lợi là 4 dB Hình 10.9 Độ tăng dung lượng và độ giảm công suất giống nhau khi hệ thống có tải 50%. Có một số phương pháp có thể được dùng để làm tăng chất lượng do tác động của anten thông minh [5-34]. Từ việc mở rộng tuyến và mô phỏng mức hệ thống đến các kỹ thuật phân tích về khả năng không được sử dụng và quá trình phân tích dung lượng thống kê. Một cách khác để làm tăng tác động của anten thông minh lên đường uplink thông qua chương này là dùng quỹ đường truyền và các biểu thức tải. Dùng anten thông minh ở đường uplink sẽ có hai điều lợi, thứ nhất là giảm tỉ số Eb/Nocần thiết, và thứ hai là độ lợi về khoảng cách, cả hai đều làm tăng độ phủ sóng. Từ (10.3), ta có thể thấy rằng hệ số tải đường uplink là hàm theo tốc độ dữ liệu, Eb/No, và số lượng thuê bao. Do đó, việc giảm Eb/No sẽ làm giảm hệ số tải cho một lượng thuê bao hoặc thông lượng của sector cho trước. Việc giảm tải đường uplink cho một thông lương hệ thống cho trước sẽ làm tăng cả độ phủ sóng và dung lượng kênh. Độ phủ sóng tăng là do hệ số tải thấp và do đó tổn hao đường tối đa cho phép(MAPL) sẽ cao hơn.Dung lượng tăng là do số thuê bao và thông lượng sector tăng đến khi hệ số tải đạt đến mức tải chỉ tiêu. Hình 10.10 mô tả phương pháp lám tăng độ phủ sóng bằng cách dùng 4 anten có búp cố định, cho rằng Eb/No giảm 3 dB [23]. Chú ý rằng các độ lợi phụ thuộc vào số lượng thuê bao (thông lượng) hoặc, chính xác hơn là, tùy thuộc và hệ số tải. Độ lợi sẽ lớn nhất khi tải nhiều, vì tại các mức đó, can nhiễu do nhiệt sẽ tăng rất cao. Đều này được chứng minh ở hình 10.11, ta thấy rằng ảnh hưởng lớn nhất là khi tải cao. Tương tự, hình 10.12 biểu diễn độ lợi về dung lượng hệ thống. Độ tăng thực tế của dung lượng đường uplink là hàm theo hệ số tải chỉ tiêu. Tải chỉ tiêu càng cao thì độ lợi về dung lượng sẽ càng cao. Tóm lại, khi dùng anten thông minh tại trạm gốc, ta có thể tăng dung lượng đường uplink bằng cách tăng hệ số tải chỉ tiêu của đường uplink mà không làm mất đi độ phủ sóng do Eb/No giảm và độ lợi anten mảng có thể giới hạn mức can nhiễu và làm tăng độ phủ sóng. Hình 10.10 Độ tăng sự phủ sóng đường uplink của đa anten có búp sóng cố định. Hình 10.11 Độ giảm can nhiễu đường uplink của đa anten có búp sóng cố định. Tác động của anten thông minh đến dung lượng đường downlink Như đã khảo sát ở phần trước, dung lượng đường downlink thường bị giới hạn. Trong phần này, ta sẽ quy độ lợi về chất lượng mức đường truyền thành hai phương pháp, đặt là phân tập phát và anten búp sóng cố định, và cách làm tăng dung lượng sector đường xuống. Hình 10.12 (a, b) Độ tăng dung lượng đường uplink và hệ số tải của đa anten có búp sóng cố định. Phân tập phát Các kỹ thuật phân tập phát được thảo luận chi tiết ở chương 5. Bây giờ ta sẽ khảo sát độ phân tập có thể thực hiện bằng cách sử dụng kỹ thuật phân tập phát vòng mở và vòng kín và chỉ ra cách mà độ lợi này có thể liên hệ với độ tăng dung lượng Hình 10.13 và 10.14 so sánh các độ lợi phân tập của phương pháp OTD, STS, và TXAA với tốc độ và hiện tượng đa đường cho người dùng CDMA2000 9.6 Kbps [8, 19]. Hình 10.13Độ lợi phân tập phát vòng mở và vòng kín trong CDMA2000. Hình 10.14 Phân tập phát OTD và STS trong CDMA2000. Hình 10.15 biểu diễn độ phân tập khi dùng tín hiệu thoại WCDMA 12.2 Kbps với kỹ thuật STTD và CLTD [35]. Độ phân tập có thể được xác định bằng nhiều cách khác nhau; tại đây, ta xét đến độ giảm trong việc phát Ec/Ior (tỉ số giữa công suất lưu lượng kênh với tổng công suất phát) hoặc Eb/No. Tóm lại ta có Các kỹ thuật vòng kín như TXAA sẽ cho độ lợi cao nhất, sau đó là STS và OTD. Đó là do hồi tiếp từ các MS làm cải thiện việc ước lượng kênh và ứng dụng của các trọng số chính xác hơn. Độ phân tập sẽ lớn nhất khi chất lượng phân tập đa đường và phân tập thời gian là thấp (nghĩa là, đối với thuê bao ít di động và có ít hiện tượng đa đường). Đó là do các thuê bao như vậy sẽ dùng nhiều thời gian theo chu kỳ với các deep fades, do đó ảnh hưởng đến chất lượng. Hình 10.15 Độ lợi phân tập phát vòng mở và vòng kín trong WCDMA. Hình 10.16 biểu diễn độ phân tập, là một hàm theo hệ số hình học G, được xác định là tỉ số của mật độ phổ công suất can nhiễu trong cell với mật độ phổ công suất can nhiễu liên tế bảo hoặc IscIoc=IorIoc. Ta thấy rằng bất chất kỹ thuật phân tập nào được sử dụng, độ phân tập sẽ cao hơn khi G cao hơn (nghĩa là, khi can nhiễu liên cell hoặc cell khác là chủ yếu). Đây thường là trong trường hợp tại biên cell. Đối với các giá trị G cao (nghĩa là, gần với trạm gốc), can nhiễu liên cell là chủ yếu và ta không có nhiều độ phân tập. Nó cách khác, độ phân tập hoặc việc giảm Ec/Ior hoặc Eb/No có thể là tăng độ phủ sóng và dung lượng đường downlink. Ví dụ, trong các microcell, độ phủ sóng đường xuống có thể bị giới hạn do tổng công suất phát trạm gốc thấp, độ phân tập này có thể được dùng để làm tăng độ phủ sóng. Trong các macrocell, độ phủ sóng đường uplink bị giới hạn và dung lượng đường downlink cũng thường bị giới hạn, trong trường hợp đó ta có thể dùng độ phân tập để làm tăng dung lượng đường downlink. Hình 10.16 Độ lợi phân tập phát trong CDMA2000. Hình 10.17 cho thấy việc giảm hệ số tải đường downlink và do đó, can nhiễu sẽ tăng khi thông lượng sector (tải) tăng trong hệ thống WCDMA 12.2 Kbps, giả sử dùng phân tập STTD 2 dB. Chú ý tằng dung lượng tối đa có chất lượng tăng sẽ bằng 100.2 hoặc khoảng 60%. Tuy nhiên, dung lượng thực tế tùy thuộc vào hệ số chỉ tiêu tải mà ta sẽ dùng khi thiết kế hệ thống. Hệ số tải càng cao (độ phủ sóng càng nhỏ), thì dung lượng sẽ càng tăng, như mô tả ở hình 10.18. Ví dụ, thông lượng sector khi tải 40% có thể tăng từ 483 Kbps đến 724Kbps, dung lượng sẽ tăng 50%, trong khi dung lượng có thể tăng từ khoảng 905 Kbps đến 1,450 Kbps, tương ứng với việc tăng 60% dung lượng tại 90% tải chỉ tiêu. Tương tự, độ phủ sóng đường downlink có thể được cải thiện bằng cách phân tập phát, như ở hình 10.19, với độ lợi STTD là 2 dB. Chú ý rằng cũng cùng một trạng thái mà độ phủ sóng phụ thuộc vào hệ số tải và ta không có cùng số tăng độ phủ sóng cho mọi tải. Một yếu tố quan trọng phải tính đến khi ta xét đến việc tăng dung lượng kênh đến từ các kỹ thuật theo không gian như TD, dù ta có cho rằng việc giảm công suất phát có liên hệ với dung lượng kênh truyền thì hệ hống cũng có thể bị giới hạn về từ mã thay vì giới hạn công suất nếu ta không khởi tạo từ mã phụ vào cell. Đó là do trong các dịch vụ thoại có SF bằng 28, sẽ có xấp xỉ 60-65 thuê bao có thể được hỗ trợ khi tính đến kênh truyền chung và hệ số giảm do chuyển giao. Để tận dụng tối đa lợi ích của TD, ta phải tăng số từ mã lên. Trong WCDMA, từ mã PSC thứ hai tương ứng với nhóm từ mã trực giao có thể được cấp phát vào, mặc dù nhóm thứ hai này sẽ tạo ra can nhiễu với nhóm có các từ mã trực giao tương ứng với PSC đầu tiên. Tương tự, CDMA2000 khắc phục vấn đền này bằng cách cấp phát các từ mã phụ bằng cách dùng các hàm trực giao (QOFs). Cách khác là, thay vì tăng dung lượng thoại, công suất phát trạm gốc phụ còn dư do quá trình phân tập có thể được dùng để hỗ trợ các thuê bao có tốc độ dữ liệu cao hơn trong cell hoặc để tăng tốc độ dữ liệu tối đa tại biên cell. Hình 10.17 Độ giảm tải đường downlink theo STTD. Hình 10.18Độ tăng dung lượng đường downlink và hệ số tải theo macrocell STDD. Hình 10.19 Độ tăng sự phủ sóng đường downlinh theo macrocell STTD. Định dạng búp sóng Mậtđộ phủ và dung lượng có liên hệ với nhau theo tỉ lệ nghịch, khi anten thông minh được dùng để tăng độ phủ sóng và dung lượng thì có thể tăng đồng thời cả hai. Anten mảng hơn hai phần tử thực hiện cả búp sóng cố định và chuỗi người dùng đặc trưng có thể tạo ra độ lợi lớn hơn kỹ thuật phân tập phát. Độ lợi có hai thành phần chính, độ lợi về khoảng cách và độ lợi của việc lọc theo không gian. Độ lợi khoảng cách tỉ lệ với số lượng phần tử anten M và bằng 10log(M). Việc lọc theo không gian sẽ làm giảm can nhiễu trong một AS giới hạn, và do đó độ lợi sẽ lớn nhất khi AS nhỏ vì can nhiễu bị giới hạn thành một vùng góc nhỏ và giảm khi AS tăng, vì nhiều can nhiễu tăng lên hoặc trải vài hệ thống. Hình 10.20 biểu diễn độ lợi theo quan điểm giảm công suất Eb/No trong một macrocell [2]. Ta có thể thấy rằng độ lợi tăng khi số búp sóng (phần tử) tăng và cao nhất khi AS nhỏ. Hình 10.20 Độ lợi định dạng búp sóng và độ rộng góc trong WCDMA [2]. Hình 10.21 Độ tăng dung lượng và độ phủ sóng đường downlink và uplink của đa anten có búp sóng cố định. Macrocell, góc mở nhỏ. Hình 10.22 Độ tăng dung lượng và độ phủ sóng đường downlink và uplink. Macrocell, góc mở lớn. Trong phần trước, ta đã chỉ ra cách tăng độ phủ sóng và dung lượng khi thực hiện kỹ thuật định dạng búp sóng tại trạm gốc. Hình 10.21 và 10.22 biểu diễn độ tăng đó, và có thể thực hiện khi dùng anten thông minh tại trạm gốc ở cả hai đường uplink và downlink cho dịch vụ thoại 12.2 Kbps. Với 4 tia cố định tại đường uplink sẽ cung cấp độ lợi khoảng 3 dB về Eb/No và 2.2 dB cho hai búp sóng ở đường downlink khi AS bằng 2o, thông lượng sector có thể tăng từ 905 Kbps lên 1,208 Kbps, trong khi độ phủ sóng tăng lên khoảng 9 dB. Những độ lợi của Eb/No khi AS bằng 20o là tương đối nhỏ (1.8 dB). AS cao hơn sẽ làm can nhiễu nhiều hơn ở đường uplink hoặc trải dài đường downlink vì vùng góc sẽ rộng hơn, do đó làm giảm độ lợi về chất lượng một ít. Độ lợi là kết quả của quá trình tăng quỹ đường uplink, hệ số tải uplink (can nhiễu thấp hơn), độ lợi về khoảng cách. Đây là quá trình tăng cả về quỹ đường truyền và biểu thức tải. Độ lợi cũng sẽ cao hơn nếu dùng 4 tia ở đường downlink. Ví dụ, độ phủ sóng đường downlink sẽ tăng đáng kể khi dữ liệu có tốc độ 384/64 Kbps, như ở hình 10.23, với anten mảng có độ lợi về Eb/No là 4.5 dB. Dung lượng thực tế theo thông lượng sector phụ thuộc vào tải chỉ tiêu của đường downlink. Hình 10.24 so sánh các độ lợi đó khi tải chỉ tiêu khác nhau. Hình 10.23 Độ tăng sự phủ sóng đường downlink của đa anten có búp sóng cố định. Hình 10.24 Độ tăng dung lượng đường downlink của đa anten có búp sóng cố định. Môi trường Microcell Trong một microcell, công suất phát trạm gốc thường bị giới hạn và thấp hơn nhiều so với trường hợp macrocell. Do đó, độ phủ sóng trong một macrocell sẽ có khả năng bị giới hạn về đường downlink. Một khác biệt chính nữa giữa hai loại cell này là độ rộng góc (AS) trong một microcell lớn hơn nhiều trong một macrocell. Như đã khảo sát ở các chương trước, khi AS tăng, độ tương qua giữa các phần tử anten cũng tăng nên độ phân tập cũng tăng. Do đó, độ phân tập phát có thể có ảnh hưởng nhiều hơn trong các môi trường này vì chất lượng định dạng búp sóng về việc giảm can nhiễu bị ảnh hưởng bởi AS lớn. Trong [2], dung lượng STTD và CLTD tăng khoảng 50% và 75%, một cách tương ứng, trong môi trường microcell. Hình 10.25 so sánh độ giảm của can nhiễu (độ lợi về dung lượng) bằng cách dùng STTD trong cả microcell và macrocell. Hệ số trực giao đường downlink và tỉ số can nhiễu liên cell dùng trong phép tính là 0.9 và 0.4, một cách tương ứng, đối với microcell, trái ngược với 0.5 và 0.65 trong trường hợp macrocell. Đối với hệ số tải chỉ tiêu 40% (độ tăng nhiễu khoảng 2.2 dB), thông lượng sẽ tăng 65% đối với trường hợp microcell với khoảng 50% với trường hợp macrocell. Hình 10.25 Độ tăng dung lượng đường downlink với độ tăng can nhiễu của STTD: (a) macrocell, và (b) microcell. Tổng kết Ứng dụng của các kỹ thuật anten thông minh trong mạng 3G được thảo luận trong chương này, bao gồm phân tập và định dạng búp sóng. Bảng 7.10 so sánh tóm tắt giữa kỹ thuật TD và định dạng búp sóng. Ta đã khảo sát một số phương pháp nhằm xác định các giới hạn về độ phủ sóng và dung lượng đường truyền và kỹ thuật làm tăng chất lượng cho toàn hệ thống. Ở đường uplink, anten mảng tại trạm gốc sẽ kích hoạt chức năng tự điều chỉ hệ thống để làm tối ưu tín hiệu thu. Kết quả là mức tín hiệu thu sẽ được cải thiện bằng một hệ số M (số phần tử anten); tại cùng một thời điểm, can nhiễu sẽ giảm đáng kể. Độ lợi tương ứng cũng sẽ xảy ra khi dùng anten thông minh ở đường downlink. Khi hệ thống được điểu chỉnh để đạt được mức công suất truyền tín hiệu tối ưu theo hệ số M thông qua việc phát công suất bằng một anten đơn tại trạm gốc. Cùng lúc đó, can nhiễu thấp hơn sẽ được trải rộng ở đường downlink. Can nhiễu giảm sẽ là tăng cả về số thuê bao của hệ thống hoặc chất lượng tín hiệu, điều đó là thông lượng dữ liệu cao hơn. Lợi ích của việc giảm can nhiễu cho mạng rộng là, trong cả hai trường hợp, làm tăng hiệu quả về phổ. Lợi ích của anten thông minh không chỉ giới hạn ở việc cung cấp độ lợi về khoảng cách, mà còn làm tăng tỉ số Eb/No, đồng nghĩa với việc tăng độ phủ sóng và dung lượng. Mọi hệ thống vô tuyến đều chịu một số tác động của hiệu ứng pha-đing. Do mội trường luôn thay đổi, hiệu ứng pha-đing sẽ thay đổi theo thời gian. Và khó khăn cho người thiết kế hệ thống vô truyền là hệ thống phải mạnh để trái các trường hợp mất kết nối và xảy ra các margin độ ngột, và phải thiết kế sao cho có thể tránh được hiện tượng pha-đing, vì nó sẽ làm giảm độ phủ sóng. Pha-đing thực chất được giảm nhẹ khi dùng nhiều anten. Khi một anten bị biến chất trong anten mảng, thì sẽ cần đến các anten còn lại. Do đó, ngõ ra của anten mảng sẽ tốt hơn theo thời gian. Do đó, có một yếu tố làm giảm margin để chống lại hiệu ứng pha-đing, được gọi là “độ lợi phân tập” ngoài độ lợi về khoảng cách. Độ lợi này tùy thuộc vào khả năng mất kết nối, mức xử lý hiệu ứng pha-đing cần thiết, và số lượng anten. Đơn giản là, các hệ thống anten thông minh làm tăng độ phủ sóng và hiệu quả về phổ của hệ thống không dây, mặc dù có một số mối liên hệ giữa chi phí, độ phủ sóng, và dung lượng còn lại trong hệ thống vô tuyến. Bảng 10.10 Bảng so sánh chất lượng của quá trình định dạng búp sóng và phân tập phát. Phân tập phát Định dạng búp sóng Tốc độ di động Chất lượng giảm khi tốc độ di động tăng. Chất lượng không phụ thuộc vào tốc độ di động. Độ rộng góc (AS) Chất lượng tăng theo độ tăng của AS Chất lượng giảm khi AS tăng. Can nhiễu Không hiệu quả với can nhiễu Rất hiệu quả khi chống lại can nhiễu. Có nhiều khả năng làm giảm can nhiễu đáng kể. Chất lượng tăng khi số búp sóng/các phần tử tăng Macrocell Kém hiệu quả hơn định dạng búp sóng tùy vào AS tương đối thấp hơn. Hiệu quả. Chất lượng lớn nhất khi AS nhỏ. Microcell Thích hợp hơn định dạng búp sóng Chất lượng ảnh hưởng khi AS tăng Độ phủ sóng UL giới hạn Không áp dụng Độ lợi về chất lượng có thể liên hệ với việc tăng độ phủ sóng. Dung lượng UL giới hạn Không áp dụng Độ lợi về chất lượng có thể liên hệ với việc tăng dung lượng. Độ phủ sóng DL giới hạn Độ lợi về chất lượng có thể liên hệ với việc tăng độ phủ sóng. Độ lợi về chất lượng có thể liên hệ với việc tăng độ phủ sóng. Dung lượng DL giới hạn Độ lợi về chất lượng có thể liên hệ với việc tăng dung lượng. Độ lợi về chất lượng có thể liên hệ với việc tăng dung lượng. Hệ số hình học G Độ lợi tốt hơn tại biên cell (hệ số hình học thấp) Chất lượng không phụ thuộc vào hệ số hình học.