Giải pháp cho thông tin di động trong tương lai - Ăng ten thông minh: Phần 2

Chia sẻ: Minh Vũ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:81

Thêm vào BST

Báo xấu

87
lượt xem 13
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Nối tiếp nội dung của phần 1 Tài liệu Ăng ten thông minh giải pháp cho thông tin di động trong tương lai, phần 2 cung cấp cho người học các kiến thức: Cải thiện chỉ tiêu hệ thống thông tin di động bằng ăng ten thông minh và khả năng triển khai trong thực tế,... Mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Giải pháp cho thông tin di động trong tương lai - Ăng ten thông minh: Phần 2

Chương 2 CẢI THIỆN CHỈ TIÊU CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG BANG ĂNG TEN THÔNG MINH VÀ KHẢ NĂNG TRIỂN KHAI TRONG THỰC TẾ Chương này tập trung vào nghiên cứu hiệu quả khi đưa ă ten thông minh vào khai thác trong hệ thống di động. Việc đánh giá ảnh hường cùa ăng ten thông minh có thể thực hiện theo một số phương pháp khác nhau vói mức độ chi tiết khác nhau của kết quả như: thử nghiệm hệ thống trên thực tế và tính toán thống kê, hoặc xem xét hệ thống có ăng ten thông minh bằng mô phổng, hoặc thông qua những điều kiện giả thiết và tính toán giải quyết từng bài toán cụ thể. Với một số điều kiện giả thiết nhất định không ảnh hưởng nhiều đến độ chính xác của kết quả, trong phần này sẽ phân tích và giói thiệu những tính toán cụ thể về khả năng cải thiện dung lượng, chất lượng của hệ thống thông tin di động như GSM và CDMA, đồng thời trình bày một số phương án và hiệu quả ứng dụng ăng ten thông minh vào từng hệ thống để có thể tham khảo cho các hệ thống di động hiện đang tồn tạiở Việt Nam và ở nhiều nước khác.
52 Ang ten thông minh 2.1 PHÂN TÍCH KHÁ NÂNG VÀ LỢI ÍCH CỦA ÁNG TEN THÔNG MINH ĐÔI VỚI HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 2.1.1 Đa truy nhập phân chia theo không gian bằng ăng ten thông minh Có thể nói, khả năng đa truy nhập theo khống gian cùa ăng ten thông minh là cơ sả tạo ra các lợi ích của nó. Vậy đa truy nhập theo không gian là thế nào? Trong một hệ thông thông tin vô tuyến, những người đang cùng sù dụng dịch vụ của hệ thống phải được phân biệt với nhau bời kênh cho mồi người, có thể là kênh trong miền tần số, miên thời gian, mã trải phổ, hoặc kết hợp các miền đó, tương ứng có các kỹ thuật đa truy nhập phán chia theo tần số (FDMA), theo thời gian (TDMA) và theo mã (CDMA). Trong thông tin di động, nhờ có kỹ thuật ăng ten thống minh, khái niệm kênh còn mở rộng ra cả miên không gian. Túc là những người sử dụng có thể sử dụng cùng một kênh thòng tin vật lý như cùng tần số, cùng khe thời gian, cùng mã trài phổ nhưng vẫn được phân tách với nhau nếu có sự khác biệt về không gian. Những thông tin về không gian của thuê bao lúc này có giá trị như thông tin về tần số, hoặc thời gian, hoặc mã trài phổ. Đó là cơ sờ cho một kỹ thuật mới gọi là kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo không gian (SDMA). Kỹ thuật SDMA điều khiển năng lượng phát xạ cho riêng từng người sử dụng theo một không gian hẹp. Hình 2.1 là hệ thống SDMA phục vụ nhiều người sử dụng khác nhau bằng các búp sóng hẹp có hướng khác nhau, các hướng còn lại có búp sóng bằng không hoặc gần bằng không.
Chương 2: cải thiện chỉ tiêu của hệ thống thông tin di động.. 53 Hình 2.1 Cơ cấu SDMA, ăng ten trạm gốc lọc theo khô phục vụ thuê bao theo từng chùm sóng riêng biệt SDMA có thể sử dụngở tất cả các hệ thống thông tin vô tuyến tổ ong, cả số và tương tự. Bản thân hệ thống vô tuyến tổ ong là một minh họa cho SDMA vì chúng cho phép nhiêu người sử dụng được chia sẻ trên cùng một (hoặc một tập) tần số miễn là những người này ờ các ô đủ cách xa nhau để không có nhiễu giao thoa đồng kênh. Hạn chế của kiểu SDMA này là hệ số tái sử dụng tần số. Các ăng ten dẻ quạt có thể được coi là một ứng dụng ban đáu đơn giản cùa SDMA. Có rất nhiều sơ đồ SDMA trong các hệ thống tổ ong hiện nay như: ô mini, ô micrô, ô phân đoạn, ô dù che và các ăng ten thông minh. Đây là các kỹ thuật phân chia không gian làm tăng độ phân giải không gian đối với các máy di động, mặc dù phần lớn chúng không mang ý nghía đầy đủ cùa kỹ thuật SDMA. Các ăng ten thông minh là phát kiến mói nhất trong số các kỹ thuật cùa thông tin vô tuyến tổ ong, nhờ vào khá năng tạo ra các búp sóng khá hẹp của ăng ten thông minh, đặc biệt là các búp sóng của ăng ten thích nghi còn có thể thay đổi linh hoạt theo điều kiện truyền sóng. SDMA sử dụng ăng ten thông minh
54 Ang ten thông minh cho phép nhiều người sử dụng hơn được hòttợtrong một phổ tin được cấp phát giới hạn. Trong tương lai, các hệ thống ăng ten thích nghi sẽ được sử dụng để chia năng lượng đồng thòi theo hướng có nhiều người dùng và rất phù hợp cho cấu trúc trạm gốc TDMA và CDMA. • Lợi ích của SDMA trong thông tin di động Trong các hệ thống tế bào truyền thống, trạm gốc không có thông tin về vị trí của các máy di động, do đó nó buộc phải phát tín hiệu theo mọi hướng để phủ sóng toàn bộ diện tích ô. Điểu này dẫn đến sự lãng phí cả về mặt công suất lẫn mặt truyền dẫn. Tương tự,ở phần thu, ăng ten sẽ thu tín hiệu đến từ mọi hướng bao gồm cả tạp âm và nhiêu. Điều này được giải quyết nhờ kỹ thuật SDMA, dựa trẽn việc phân tích và khai thác thông tin vé vị trí máy di động. Kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo không gian (SDMA) thực hiện bằng ăng ten thông minh cho phép tăng dung lượng của hệ thống tổ ong bằng cách khai thác sự khác nhau về khàng gian cùa người sử dụng. Trong hệ thống có SDMA, trạm gốc không phát tín hiệu trên toàn bộ diện tích ô như trong các kỹ thuật đa truy nhập truyền thống, mà nó tập trung công suất theo hướng cùa máy di động cần truyền và giảm công suất ờ các hướng có các máy di động khác. Phần thu cũng áp dụng nguyên tác tương tự. Kỹ thuật SDMA có nhiều ưu điểm khi đưa vào một hệ thống thông tin di động. Đặc biệt, mọi thay đổi cần thiết có thể chi giói hạn ờ trạm gốc và không liên quan đến máy di động.
Chương 2: cải thiện chỉ tiêu của hệ thống thông tin di động.. 55 Hơn nữa, kỹ thuật SDMA có thể kết hợp hiệu quả vói các kỹ thuật đa truy nhập khác (FDMA, TDMA, CDMA), và do đó no có thể được sử dụng trong tất cả các hệ thống thông tin di động đang hoạt động. Tất nhiên, cách thức triển khai SDMA và các lợi ích đạt được sẽ khác nhau tuy thuộc vào hệ thống làm nén được triển khai. Trong hệ thống thông tin di động đa truy nhập phân chia theo tần số và theo thời gian, dung lượng hệ thống bị giới hạn bởi hai yếu tố. Thứ nhất là do số kênh vồ tuyến (số sóng mang và số khe thời gian) khả dụng. Và yếu tố thứ hai là nhiễu đồng kênh, yếu tố này làm giới hạn khả năng sử dụng lại tần số. Kỹ thuật SDMA thực hiện bằng ăng ten thông minh cho phép mờ rộng cả hai giới hạn này, do đó tăng được dung lượng hệ thống. Việc tăng dung lượng hệ thống có thể đạt được theo hai cách khác nhau • Giảm nhiều đống kênh Việc giảm nhiễu đồng kênh giữa các ô sử dụng cùng một nhóm kênh tần số vô tuyến có thể đạt được bằng cách giảm thiểu tăng ích theo huống có các máy di động gây nhiễu. Kỹ thuật này gọi là kỹ thuật lọc không gian để giảm nhiễu (SFIR - Spatial Filtering for Interíerence Reduction), cho phép giảm khoảng cách tái sử dụng tần số và kích thước mẫu tái sử dụng tần số. Nhờ đó, mỗi ô có thể được gán số kênh cao hơn, khiến dung lượng tăng lên. • Trực giao không gian Trong các kỹ thuật truy nhập truyền thống, tính trực giao giữa các tín hiệu gắn vói mỗi người sử dụng đạt được bằng cách phát các tín hiệu này trong các băng tấn khác nhau (FDMA)
56 Áng ten thông minh hoặc các khe thời gian khác nhau (TDMA), hoặc sử dụng các chuỗi mã khác nhau (CDMA). Bằng cách sử dụng dàn ăng ten thông minh, ta có thể tạo ra một cấp trục giao nữa giữa các tín hiệu được phát từ hoặc tới các hướng khác nhau. Ta có thể gán cùng một kênh vật lý cho nhiều máy di động khác nhau, khi góc nhìn từ trạm gốc đến các máy đó cách nhau vừa đù. Kết quà là có thể tăng được số kênh khá dụng, do cùng một kênh vật lý có thể chia thành nhiều kênh không gian, mỗi kênh không gian này được gán cho một người sử dụng, từ đó làm tăng dung lượng hệ thống. Ngoài khả năng tăng dung lượng hệ thống, kỹ thuật SDMA còn có các ưu điểm khác. Đặc biệt, nhờ dàn ăng ten thông minh có tăng ích thu cao hem so với một ăng ten đẳng hướng nên cho phép các máy di động phát ờ mức công suất thíp hơn, dẫn đến tiêu thụ nguồn ít và tăng phạm vi phù sóng. Ta thấy rằng vói kỹ thuật lọc không gian để giảm nhiêu (SFIR), cẩn phải quy hoạch lại tần số cho các ỏ mới tạorahiệu quả tăng dung lượng, còn với SDMA thì không. Do vậy, SDMA có lợi hơn khi triển khai vào các vùng có nhu cáu lưu lượng lổn vì không cẩn phân chia lại ô và thay đổi mỉu tái sù dụng tần số. Mặt khác, SDMA lại cần nhiều ăng ten hơn so với SFIR. Tính trực giao không gian được khai thác thông qua sử dụng lọc không gian đế triệt nhiều đổng kênh và nhiễu nội ô do các máy di động cùng tần số và trong cùng ô gây ra. Số lượng người sử dụng có thể sử dụng chung một kênh, tức là số kênh không gian có thể phân bổ trong một kênh vật lý được gọi là tăng ích ghép kênh không gian SMG (Spatial Multiplexing Gain). Rõrangla SMG có quan hệ mật thiết với số phần tử áng ten trong dàn.
Chương 2: cải thiện chi tiêu của hệ thống thông tin di động.. 57 2.1.2 Các lợi ích của ăng ten thông minh 2.1.2.1 Mở rộng vùng phủ Ảng ten thõng minh làm tăng phạm vi phủ sóng, lấp đáy chỗ trống và thâm nhập tòa nhà tốt hơn. Với cùng công suất phát raở trạm gốc và máy di động, ăng ten thông minh có thể tăng cự ly phủ sóng nhờ tâng độ lợi của ăng ten trạm gốc do tạo ra được búp sóng ăng ten hẹp hơn. Ta có công suất đường lên mà trạm gốc nhận được từ thuê bao di động như sau: P = P, + G + G„-P r s L (2.1) Trong dó: + P là công suất trạm gốc nhận được; r + p, là công suất phát của thuê bao; + G là độ lợi của ăng ten máy di động; s + G là độ lợi cùa ăng ten trạm gốc; b + P là suy hao đường truyền. L Hệ thống ăng ten thông minh có thể tạo ra một chùm sóng khác nhau cho mỗi thuê bao ở đường lên và đường xuống, tối thiểu hóa sự ảnh hưởng cùa nhiễu và xuyên âm cho mỗi thuê bao và trạm gốc (hình 2.2). Hình 2.2 Hệ thống ăng ten thông minh tạo cho mồi th một chùm sóng khác nhau trên đường lên và dường x
58 Ang ten thõng minh ơ đường lên, với cùng một công suất trạm gốc yêu cầu tái thiểu nào đó, nếu ta tâng độ lợi ăng ten ưạm gốc thì tuyến kết nổi thông tin chịu được suy hao đường truyền lớn hơn, tức là tuyên có khoảng cách xa hon, cho phép tăng khoảng cách phục vụ d của trạm gốc. Như vậy, vì ăng ten thông minh có độ lợi cao hon ăng ten truyền thống nên hệ thống ăng ten thông minh mở ròng được phạm vi. Để cải thiện khoảng cách ờ đường xuống, chúng ta có thể sử dụng ăng ten thông minh tại máy di động hoặc ờ bộ phát trạm gốc. Vì ăng ten thông minh thường không được đặt tại đẩu máy di động nên có thể chỉ xem xét định dạng chùm sóng tại trạm gốc để tăng phạm vi trong hê thống cân bằng. Tuy nhiên trong các ứng dụng vô tuyến cố định thì ăng ten thông minh hoàn toàn có thể chiếm một vai trò quan trọngở thiết bị thuê bao, đầu cuối. 2.1.2.2 Chi phí lắp đặt giảm Thông qua việc mở rộng phạm vi vùng phủ, chi phí sử dụng ban đầu để lắp đặt hệ thống vô tuyến có thể được giảm đi đáng kể. Khi xem xét triển khai ban đầu cho mạng vô tuyến tổ ong hệ thống thường được thiết kế để đạt được yêu cầu phạm vi vùng phù. Thậm chí chỉ với một vài khách hàng thì một số lượng trạm gốc cần thiết vẫn phải được triển khai để có thể phù được những vùng thiết yêu. Khi có nhiều khách hàng hơn được bổ sung vào hệ thống tổ ong, dung lượng hệ thống có thế được tăng bằng cách giảm phạm vi phù của trạm gốc và thêm vào nhũng ô bổ sung. Trường hợp sau là có lợi nhuận, do có một số lượng lớn thuê bao nén bù được các chi phí lắp đặt nhũng trạm góc bổ sung. Còn trường hợp đầu thì không như vậy, để đạt được yêu cầu vùng phủ cơ bản, một sô" lượng lớn trạm gốc phải được láp
Chuông 2: cải thiện chỉ tiêu của hệ thống thông tin đi động.. 59 đặt mà không có lợi nhuận thuê bao. Khi đó sử dụng ăng ten thông minh có thể dễ dàng giải quyết vấn đề này bằng cách cho phép diện tích ô ban đầu lớn hơn nhờ ăng ten thông minh có khả năng tăng phạm vi phủ sóng, làm cho số lượng trạm gốc cẩn lắp đặt được cân đối với số lượng thuê bao một cách linh hoạt. Tất nhiên chi phí sử đụng ăng ten thông minh cao hơn công nghệ truyền thống phải được tính đến khi tính toán lợi ích kinh tế. 2.1.2.3 Giảm ảnh hưởng của nhiều loạn Ăng ten thông minh làm cho hệ thông tin vô tuyến bền vững trước các nhiêu loạn và giảm độ nhạy với các biểu hiện khác thường. Như chúng ta đã biết, hệ thống CDMA yêu cầu điều khiển công suất để đảm bảo rằng tất cả những tín hiệu tới trạm gốc từ các máy đi động khác nhau phải xấp xỉ cùng mức công suất. Nếu sử dụng ăng ten thông minh, giúp cô lập tín hiệu đưòng lên từ những người sù dụng khác nhau thì sẽ giảm nhẹ được yêu cầu điều khiển công suất hoặc làm giảm ánh hường xấu do điều khiển công suất không hoàn hảo. Hệ thống vô tuyến CDMA cũng đặc biệt nhạy cảm với sự phân bố lưu lượng theo địa lý của thuê bao. Ảng ten thông minh giúp tổ chức lại những mẫu phủ để giải quyết những điểm nóng ờ những vùng có mật độ thuê bao tạm thời cao. 2.1.2.4 Chất lượng tuyến tăng Ăng ten thông minh giúp cho chất lượng tuyến được cải thiện thông qua việc quàn lý đa đường. Đa đường trong kênh thông tin vô tuyến tổ ong có thể gây ra pha đinh hoặc tán sắc thời gian một cách sâu sắc. Sừ dụng ăng ten thông minh cho phép làm giảm ảnh hưởng cùa pha đinh do đa đường gây ra, hoặc thậm chí lợi dụng được sự phân tập vốn có trong đa đường.
60 Ang ten thõng minh 2.1.2.5 Cải thiện dung lượng hệ thống Ảng ten thông minh giúp cải thiện dung lượng hệ thống. Ăng ten thông minh cho phép cả thuê bao lán trạm gốc hoại động ờ mức công suất thấp hơn vói cùng một phạm vi nhu hí thống truyền thống. Điều này cho phép hệ thống FDMA và TDMA sử dụng ăng ten thông minh được định lại kênh để si dụng lại tần số thường xuyên hơn hệ thống thông thường, vì tỳ sỉ sóng mang trên nhiễu (CIR: Carrier to Interíerence Ratio) dã lân hơn nhiều. Trong hệ thống CDMA, nếu ăng ten thông minh dược sử dụng cho phép truyền công suất thấp hơnở đường xuống, khi dó xuyên âm đa truy nhập giảm, điểu này làm tăng số lượng thui bao đổng thời được phục vụ trong mỗi ô. Không những thế, ăng ten thông minh còn được sử dụng dể phân tách các tín hiệu theo không gian ờ tại trạm góc (kỹ thuật SDMA), cho phép các thuê bao khác nhau chia sẻ cùng tài nguyên phổ tần số, thòi gian hoặc mã nên ăng ten thông minh cho phép cải thiện dung lượng rất nhiều so với ăng ten truyền thống. 2.1.2.6 Giải quyết một số rân đê đường lén Sừ dụng ăng ten thích nghi ờ trạm gốc (thậm chí ờ cà máy đầu cuối) hứa hẹn giải quyết được một số vấn để về đường lên. Thông thường trong hệ thống thông tin di động, điều kiện truyền sóng ờ đường lên và đường xuống là không giống nhau. Đường lên bộc lộ nhiều khó khàn hơn do một số nguyên nhãn. Tmớc hết, trạm gốc có điểu khiển công suất cùa mọi tín hiệu phát trên đường xuống, tuy nhiên, vì sự khác biệt trong đường truyền sóng vò tuyến giữa người dùng và trạm gốc nên công suất phát từ mỗi
Chương 2: cài thiện chỉ tiêu của hệ thống thõng tin di động.. 61 thuê bao phải được điều khiển động để ngăn cản một người dùng bất kỳ gây nhiễu mạnh cho những người khác. Thứ hai, công suất phát phụ thuộc vào điện năng tiêu thụ ờ pin của máy thuê bao, do đó việc điểu khiển công suất trên đường lên bị hạn chế. Nếu ăng ten trạm gốc được chế tạo nhằm lọc theo không gian từng người dùng mong muốn để thu được năng lượng tín hiệu cao hơn từ mỗi thuê bao thì đường lên cho mỗi người sử dụng được cải thiện, yêu cầu về công suất giảm đi và trạm di động (MS) tiết kiệm pin hơn, chất lượng dịch vụ tốt hơn. Ngoài ra trên góc độ người sử dụng dịch vụ, ăng ten thông minh còn tăng khả năng bảo mật, đa dạng hóa dịch vụ,... Tóm lại, các ăng ten thông minh trạm gốc có thể được sử dụng để tăng cường hoạt động của các hệ thống thông tin di động theo nhiều cách: - Tăng bán kính phủ sóng của trạm gốc; - Giảm nhiễu trong cùng ô; - Giảm nhiễu trong các ô lân cận; - Tăng dung lượng bằng cách sử dụng SFIR hoặc SDMA, v.v... 2.2 CẢI THIỆN CHỈ TIÊU HỆ THỐNG GSM BẰNG ĂN THÔNG MINH VÀ KHẢ NĂNG TRIỂN KHAI TRONG THỰC TẾ Sau đây sẽ đánh giá ảnh hưởng của từng loại ăng ten thông minh: chuyển mạch chùm sóng và ăng ten thích nghi, đối với hệ vô luyến tổ ong theo chuẩn GSM.
62 Ang ten thống minh 2.2.1 Tăng dung lượng hệ thống GSM nhờ ăng ten chuyển mạch chùm sóng Ưu điểm của ăng ten chuyển mạch chùm sóng so với ăng ten dẻ quạt tương đương là hiệu quả sử dụng trung kế cao hơn. Trong các tính toán so sánhở dãy, dể đơn giản ta bỏ qua ảnh hường cùa pha dinh và sự che khuất. Khác biệt chính giữa hệ thống chuyển mạch chùm sóng và dẻ quạt là số kênh trung kế có dược. Trong ăng ten chuyển mạch chùm sóng, mọi kênh có cho một ô đều có thể dược sử dụng bời một chùm sóng nào đó. Còn với ăng ten dè quạt, việc tảng sổ chùm sóng làm giảm hiệu suất trung kế bời vì thực chái sử dụng ăng ten dẻ quạt là việc phân nhò hơn các ô, dẫn đến phải giảm sò kênh khả dụng trên từng đoạn ô. Đầu tiên ta xem xét khả năng cải thiện dung lượng của ăng ten dẻ quạt, sau đó đến ăng ten chuyển mạch chùm sóng và so sánh hiệu quả giữa hai loại ăng ten. Dung lượng của hệ thống tỷ lệ với tỷ số C/I nên có thể đánh giá ảnh hường của nhiễu đến dung lượng thông qua tỳ số C/I. Trong thông tin di động tổ ong, vùng phủ được chia thành các vùng nhỏ hơn, được gọi là ô (cell) và thường được giả thiết là hình lục giác để tiện phân tích, mỗi ô được một trạm gốc phù sóng. Mỗi ô được phản bổ một tập con của toàn bộ bàng thông mà nhà khai thác có. Mỗi khe tần số có thể mang OI bản tin gọi là mộ! kênh đơn công và chiếm một độ rộng băng tần nhát định quanh tần số sóng mang. Tổng quát hơn, đại lượng kênh có thể là một tẩn số, khe thời gian, mã trải phổ, hoặc kết hợp các miên đó. Mỗi kênh chì được sử dụng bời một thuê bao đang di chuyển trong ô đó. Hai kênh đơn công (đường lên và đường xuống)
Chương 2: cải thiện chi tiêu của hệ thống thông tin di động... 63 thành một cặp được gọi là một kênh song công. Các kênh đường lên và dường xuống được phân chia theo tần số hoặc thời gian. Tổng số kênh do một nhà khai thác dịch vụ cung cấp là N„ được phán chia cho các ô trong một nhóm ô, còn gọi là cụm (cluster). Nếu số ô trong một cụm là N thì số kênh trên Ì ô là: N = N,/N c Số kênh trên Ì ô tăng khi kích cỡ cụm (là N) giảm. Ví dụ: Tổng băng tần cho mạng di động cựa mội nhà khai th MHz. Mỗi kênh tẩn SỐGSM có độ rộng là 200 kHz và có 8 kênh thoại thì tống số kênh đơn công là: N, = X 8 = 400 (kênh) XữOkHz Thực tế, một số kênh sẽ phải dùng làm kênh điều khiế phân bổ kênh, nhắn tin, thông báo,... Nếu kích cỡ cụm là tống số kênh trên Ì ở là N = 40014 = 100 kênh. Mỗi thu c cẩn một kênh song còng nên số kênh cực dại hỗ trợ trên 100/2 = 50. Khi kích cỡ cụm là 7 thì số thuê bao có thế động đống thời sẽ giám xuống còn 28. Để tâng tính hiệu quả sử dụng phổ, một tập các kênh giống nhau sẽ được lặp lại từ cụm này sang cụm khác. Khoảng cách D giữa các ô sử dụng các kênh giống nhau được gọi là khoảng cách tái sử dụng. Các ô sử dụng cùng một tập các kênh được coi là cùng kênh. Trong một hệ thống tổ ong, có thể có vô số các ô cùng kênh. Số ô cùng kênh gây nhiễu cùng kênhở lớp thứ nhất (gần với ô gây nhiễu nhất) là N, = 6. Vì hình dạng của ồ là hình
64 Ang ten thõng minh lục giác nên chỉ có các giá trị kích cỡ cụm nhất định được lính theo công thức sau: N = i + ij+j 2 2 (2.2) Trong đó i, j là các số nguyên không âm. Do đó kích cỡ cho phép của ô hình lục giác là N = Ì, 3, 4, 7, 9, 13, 16,... Số nguồn nhiễu cùng kênh ờ các vòng xa hơn thứ n là bằng 6n, n là số nguyên. Nếu R là bán kính của mỗi ô, hình dạng lục giác lạo ra một liên quan giữa kích cỡ ô và khoảng cách tái sử dụng D là: D = RV3N (2.3) Công thức tính diện tích của một hình lục giác theo bán kính R là: S = 3V3R/2 2 (2.4) Khoảng cách tái sử dụng tăng khi kích cỡ cụm tăng với một bán kính ô cho trước. Khoảng cách tái sử dụng lớn sẽ làm cho công suất nhiễu cùng kênh nhỏ hơn, do tín hiệu vô tuyến gây nhiêu bị suy hao nhiều hơn khi khoảng cách tăng. Do đó công suất nhiêu giảm khi N tăng. Nhưng mặt khấc, số kênh cho Ì ô giảm khi N tăng sẽ làm cho dung lượng hệ thống giảm đi. Xét ó trung tâm là ô có một máy di động di chuyển trong dó, giả thiết mọi ăng ten trạm gốc phát xạ công suất như nhau và bị bao quanh bời các vật cản như nhau, nhiễu phát sinh từ các nguồn nhiễu ờ lớp gần nhất là do các máy di động nằm ờrìaô không mong muốn, kết hợp vói (2.3) ta có tỳ số cõng suất sóng mang trên nhiễu CA mà máy di động trong ô trung tâm thu được là:
Chương 2: cải thiên chỉ tiêu cùa hệ thống thông tin di động... 65 K/R" _ 1/R" ,n/2 c Ni _ Ni => C/I = (3N)' (2.5) ì Ni k=l k=l Trong đó: + K là hằng số phụ thuộc vào công suất phát xạ và tham số ăng ten; + d là khoảng cách giữa máy di động và máy phát cùng k kênh thứ k. Lấy xấp xỉ d K D trong công thức (2.5). k + đ là khoảng cách từ máy phát; + n là hệ số suy hao đường truyền trong môi trường: n = 2: ương không gian tự do n « 4: trên mặt đất bằng. Sử dụng n = 4, N = 7 và Nị = 6 trong công thức (2.5), thì ta có C/I = 73,5 (lần) hay xấp xỉ bằng 18,7 dB. Với các nguồn nhiêu ỏ lớp đầu tiên, kết quả xấp xỉ tốt hơn với khoảng cách là d = D, D + R, D - R, D + R/2, D - R/2. Với N = 7, chênh lệch k giữa C/I tính theo 2 cách này sẽ nhò hơn Ì dB. Từ phương trình (2.5), ta thấy rõ một cách để giảm nhiễu và tăng tỳ số CA là dùng ăng ten dẻ quạt ờ trạm gốc, chia mặt phảng nằm ngang thành nhiều phần. Ví dụ nếu 3 ăng ten dẻ quạt 120° được sử dụngở trạm gốc thay cho một ăng ten đẳng hướng thì số nguồn nhiễu của hệ thống cụm 7 ô (có 7 ô trong một cụm) sẽ
™ Ang ten thòng minh giảm từ 6 xuống 2 (hình 2.3). Việc thực hiện phân vùng 120° cho phép cải thiện C/I cùa hệ thống lên 3 lẩn hay bằng xấp xỉ 5 dB. Hình 2.3 Giảm nhiễu đồng kênh nhờ phán đoạn ó / Tác dụng cùa tỷ số c/l tăng có thể được sử dụng theo cách: giảm tỳ lệ lỗi bít của hệ thống, tăng kích thước ố, hoặc tăng số người sù dụng. Tuy nhiên, việc dẻ quạt hóa có một số nhược điểm sau: - Cần nhiều thiết bị trạm gốc hơn. - Do mỗi ô được chia thành nhiều ô con, số kênh trên một ô con giảm nên hiệu quả trung kế giảm. Hiệu quà trung kế đo bằng mật độ lưu lượng trẽn Ì kênh.
Chương 2: cải thiên chỉ tiêu của hệ thòng thông tin di động.. 67 - Cần nhiều chuyển ô khi máy di động di chuyển từ ô con này sang ô con khác. Với CIR cho trước (xác định bởi các điều kiện ràng buộc về chỉ tiêu khác) và n, Ni, phương trình (2.5) có thể biến đổi thành: (2.6) ưong đó chỉ số omni (vô hướng) đã được loại bò khỏi CA Sử dụng ăng ten thông minh chuyển mạch chùm sóng Trong vùng mật độ dân số cao, có thể giả thiết rằng các nguồn nhiễu được phân bố đồng nhất trong không gian. Nếu một ăng ten chuyển mạch chùm sóng có m chùm sóng, mỗi chùm sóng có độ rộng A rad, được sử dụng ờ vị trí ô thay cho ăng te đẳng hướng thì số nguồn nhiễu trên một chùm sóng giảm đi AQ>/2n = l.m, hay C/I tăng m lần so vói công thức (2.5). Do đ CIR cho một ăng ten chuyển mạch chùm sóng (em beam) có m chùm sóng là: CAL. e ,= ^-(3N)"' (2.7) b m 2 Công thức này cho thấy CIR tỷ lệ thuận vói m chùm só Ưu điểm này đạt được giống như trường hợp sử dụng ăng ten dẻ quạt. Tuy nhiên, khác với ăng ten dẻ quạt, sô kênh khả dụng trong hệ thống chuyển chùm sóng không bị chia ra giữa các chùm sóng nhờ tính năng ăng ten thông minh. Trái lại, mọi kênh đêu là khả dụng cho chùm sóng được chọn. Phương trình (2.7) có thể được dùng để tính CIR với m, Ni, N và n cho trước. Ngược lại vói CIR, n và m cho trước, tương tự công thức (2.6), công
68 Ang ten thông minh thức (2.7) có thể được chuyển đổi để xác định kích cỡ cụm hiệu dụng N : e N < = ĩ ni ì :Nm" (2.8) Phương trình trên cho thấy rằng, với CIR không dổi thì kích cỡ cụm giảm khi m tăng. Nếu N, là tổng số kênh trên một cụm và N = N,/N là số kênh trên một ô (khi m = 1) thì số kênh hiệu c dụng trên một ô N là: cc N| - N, (2.9) N„ N Nm" - = m N >N 2/n 2( c c e Cho trước một xác suất nghẽn p, mật độ lưu lượng E/N trên k một kênh có thể được biểu diễn theo số kênh N có được trên t một trung kế. Với một giá trị cụ thể cùa xác suất nghẽn là 0,01, biểu diễn xấp xì sau có thể được sử dụng: E/N « tanh (0,07N ) - 1,41 X ÌO- ^- -"™ k (l k (2. Ì Oa) 3 0 1 Già sử lưu lượng tiêu biểu cùa người sử dụng là E„, số người sử dụng tối đa được hỗ trợ trên một kênh là K = (E/N)/E„ hay: k K = — [0,855tanh(0,07N) - 1,41 X lo NỈe-° k 3 07Nk (2.10b) l1) Hàm tanh là một hàm thống ké tính mật độ lưu lượng trên 1 kênh theo trẽn một trung kế, với một chì tiêu chất lifl?ng GOS nhất định. Hâm nãy tư bảng Erlang dùng trong thòng tin di động.
Chương 2: cải thiện chỉ tiêu của hệ thống thõng tin di động.. 69 4500 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Số chùm sóng {hoác số dẻ quạt) của ăng ten, m Hình 2.4 Số người sử dụng trên mội ô theo số chàm sống dè quạt) của ăng ten với C1R cố dinh và xác suất nghẽn Đối với ăng ten chuyển mạch chùm sóng có số kênh hiệ dụng trên một ô là N cũng là số kênh trên một trung kế, xem ce công thức (2. lOb), ta có tổng số thuê bao trênồ là: K mtom K N^. Với hệ thống chuyển mạch chùm sóng có c = cấp bậc phục vụ p = 0,01, thay K từ công thức (2.10b) vào thì có: K«.mbe = (NJE„) [0,855tanh(0,07NJ - 1,41 X 10 N^e"° m 3 (2.11) Bẽn cạnh đó, số người sử dụng (K ) và M hutìng (Rai,™,) trên một ô tương ứng với ăng ten đẳng hướng và ăng ten dè quạt có m chùm sóng, khi p = 0,01 là:
70 Ang len thống minh K „ „ = (N /E„) [0,855tanh(0,07N) - 1,41 X 10 'NỈ - « ] v hltó s cc c e ofl7N (2.12) K, = (fiJEJ [0,855tanh(0,07N ) - 1,41 X |(r'N V ' ] 6huớns c c ofl,N (2.13) Trong công thức trên, số trung kế trong hệ thống m dè quạt (m sector) bằng m và số kênh trên một trung kế trong tổng số kênh có thể dùng giảm theo tỳ lệ thuận N^m. Các phương trình (2.10), (2.11), (2.12) và (2.13) có ý nghĩa cho CIR không đổi và xác suất nghẽn p = 0,01. Giữ CIR là hằng sỏ', khi độ rộng chùm sóng bị hẹp đi m lần thì kích cỡ cụm đã được chuyển thành N như chì ra trong phương trình (2.8). c Hình 2.4 cho thấy kết quả tính toán số kênh trẽn ỏ cho hê thống chuyển mạch chùm sóng và dẻ quạt với E„ = 0,05 Erlang, n = 4,5, N = 4, Ni = 6, p = 0,01 và N, = 320 kênh. Với các tham số đã chọn này, CIR cho ăng ten đẳng hướng là 16,5 dB. Ăng ten đẳng hướng sẽ hỗ trợ được 1314 người dùng. Ăng ten dẻ quạt có cùng CIR hỗ trợ tới 2891 người dùng với 12 dẻ quạt. Còn ăng ten chuyển mạch chùm sóng có 12 chùm sóng sẽ hỗ trợ 4121 người dùng, tức là tăng thêm được 70% so với ăng ten dè quạt có cùng số chùm sóng và cùng CIR. Trong những phân tích trên đã bỏ qua ảnh hướng khá quan trọng của pha đinh và hiện tượng che khuất. Việc tính toán sẽ phức tạp hơn nhiều khi xét các yếu tố này, song kết quà thu được cũng tương tự, thậm chí còn tốt hơn vì khả nâng tránh pha đinh của ăng ten thông minh tốt hơn ăng ten thường. 0,05 Ngoài Erlangra,lớnlưu hơnlượng so vóicùa lưumôi thuê lượng thậtbao củađược giá thiết hệ thống GSMlàỏ