Ebook Ăng ten thông minh giải pháp cho thông tin di động trong tương lai: 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
(2.1)
Trong dó:
+ P là công suất trạm gốc nhận được;
+ p, là công suất phát của thuê bao;
+ G là độ lợi của ăng ten máy di động;
+ G là độ lợi cùa ăng ten trạm gốc;
+ P là suy hao đường truyền.
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).
r

s

L

r

s

b

L

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
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:
c

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
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
c

Ang ten thõng minh

64

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)
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:
2

2

D = RV3N

(2.3)

Công thức tính diện tích của một hình lục giác theo bán kính
R là:
S = 3V3R/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:
2


Chương 2: cải thiên chỉ tiêu cùa hệ thống thông tin di động...

65

,n/2
K/R" _ 1/R"
(2.5)
=> C/I = (3N)'
Ni
_ Ni
Ni
k=l
k=l

c
ì

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
kênh thứ k.
Lấy xấp xỉ d K D trong công thức (2.5).
+ 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.
k

k

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
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
k


™
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<I> 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)
2

b

m

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


Ang ten thông minh

68

thức (2.7) có thể được chuyển đổi để xác định kích cỡ cụm hiệu
dụng N :
e

N

(2.8)

:Nm"

< = ĩ ni ì

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
dụng trên một ô N là:
N| - N,
(2.9)
N„ N Nm" - = m N >N
Cho trước một xác suất nghẽn p, mật độ lưu lượng E/N trên
một kênh có thể được biểu diễn theo số kênh N có được trên
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- ^- -"™
(2. Ì Oa)
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:
c

cc

2/n

2(

c

c

e

k

t

(l

k

3

0

1

k

k

K = — [0,855tanh(0,07N) - 1,41 X lo NỈe-°
3

k

07Nk

(2.10b)

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.
l1)


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
công thức (2. lOb), ta có tổng số thuê bao trênồ là:
K mtom K N^. Với hệ thống chuyển mạch chùm sóng có
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"°
ce

=

c

3

m

(2.11)
Bẽn cạnh đó, số người sử dụng
(K ) và
(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:
M hutìng


70

Ang len thống minh

K „ „ = (N /E„) [0,855tanh(0,07N) - 1,41 X 10 'NỈ - « ]
(2.12)
K, = (fiJEJ [0,855tanh(0,07N ) - 1,41 X |(r'N V ' ]
(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).
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.
thuê
giá thiết
0,05 Ngoài
Erlangra,lớnlưu
hơnlượng
so vóicùa
lưumôi
lượng
thậtbao
củađược
hệ thống
GSMlàỏ
ofl7N

v

hltó

s

cc

c

e

ofl,N

6huớns

c

c

c


Chương 2: cải thiện chỉ tiêu của hệ thống thông tin di động...

71

nưóc ta hiện nay là 0,025 Erlang. Giả thiết nghẽn là 1% cũng
nhỏ hơn so với nghẽn thiết kế thực tế là 2%. NẾU kể đến tất cả

các chênh lệch này thì số thuê bao có thể hỗ trợ trong một ô còn
lớn hơn nữa. Tuy nhiên,ở đây ta chỉ tập trung vào kết quả là
dung lượng tăng lên khoảng bao nhiêu % khi sử dụng ăng ten
chuyển mạch chùm sóng thay cho ăng ten dẻ quạt, như đã nói
trên con số này đạt khoảng 70% với ăng ten có 12 chùm sóng.
2.2.2 Tăng dung lượng hệ thống GSM nhờ ăng ten thíc
Ảng ten thích nghi làm tăng dung lượng hệ thống thông qua
khả năng SDMA của nó. Trong mục này, ta chỉ tham khảo, xem
xét kết quả của một phép mô phỏng để đánh giá khả năng SDMA
cùa ăng ten thích nghi trong hộ thống GSM. Mô hình mô phỏng
nhưở hình 2.5, trong mô hình này có tính đến các đặc tính cùa
hệ thống GSM như điều khiển công suất và truyền dẫn không
liên tục (DTX: Discontinuous Transmission). Cấu trúc các ô có
hình lục giác. Các máy di động được giả thiết phân bố đổng đểu
trong vùng được xét và mỗi máy di động gắn vói trạm gốc cổ
công suất nhận được lòn nhất. Giả thiết suy hao đường truyền tỷ
lệ trực tiếp vói khoảng cách với hệ số mũ 7 = 4, xét cả hiệu ứng
che chắn. Do đó, quan hệ giữa công suất phát và công suất thu là:
PR = d'10' " P
(2.14)
trong đó:
+ d là khoảng cách từ máy đi động đến trạm gốc;
+ ri là biến ngầu nhiên Gausian với giá trị trung bình bằng 0;
+ Độ lệch chuẩn ơ = 8 dB;
+ P : công suất thu;
+ P : công suất phát1

0

T

R

T


Ang ten thông minh

72

Hình 2.5 Mõ hình mô phòng phân tích kỹ thuật SD
trong hệ thống FDMAITDMA
Đói với môi ô, tùy thuộc vào số ngưòi sử dụng gán cho một
kênh (SMG: Spatial Multiplexing Gain - Tăng ích ghép kênh
không gian), độ phân biệt không gian tối thiểu bằng 2n/M với M
là số phần từ ăng ten (hoặc 2n/M rad là đô rộng chùm sóng ăng
ten thích nghi). Nhận thấy rằng với SMG = Ì thì tương dương với
kỹ thuật lọc không gian giảm nhiễu SFIR.
Xét các máy di động gán với trạm gốc tại trung tâm cùa
vùng xét, mẫu phát xạ của dàn ăng ten được xác định theo tiêu
chí sai số trung bình bình phương MSE, tính véc tơ trọng sò w
sao cho tôi thiểu hóa được hàm sau:
MSE = E[y (t) - y(t) 1 ]
(2.15)
2

d


Chương 2: cài thiện chì tiêu của hệ thống thông tin di động..

73

Giá trị này là sai số bình phương trung bình giữa tín hiệu đầu
ra y(t) và tín hiệu mong muốn y (t).
Xét dàn ăng ten được xếp theo đường tròn, mỗi phần từ cách
nhau XIA. Cuối cùng tính toán tỷ số giữa công suất tín hiệu mong
muốn và công suất nhiêu C/I cho đường lên khi vị trí của các
máy đi động thay đổi, vẽ đồ thị để đánh giá.
d

ũ 5 lo 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 0 5 10 15 20 25 3
OI (dB)
en (dB)

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60
Cl\ (dB)
CDF: Hàm phản bố tích lũy
c/l: Tỉ số sóng mang trẽn nhiễu
Hình 2.6 Phân bố xác suất của cu cho hệ thống SFI
với các kích thước mầu lần lượt là 4, 3, ỉ


74

Ang ten thông minh

Đối với kỹ thuật SFIR, ta sẽ tính cu khi kích thuốc mỉu tái
sử dụng tần số thay đổi. Hình 2.6 thể hiện hàm phân bố xác suít
cùa C/I cho hệ thống SFIR với kích thước mẫu tái sử dụng tẩn số

bằng 4,3 và Ì với M phẩn tử ăng ten khác nhau cho mồi mỉu.
Đường nét đứt tương ứng với trường hợp hệ thống truyền thống
SỪ dụng một ăng ten đẳng hướng. Từ hình 2.6, ta có thể chấy việc
sử dụng dàn ăng ten thông minh có thể tăng dì tham từ 15 đến
25 dè.

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60
c/l (dB)
Ang ten có 32 phần tử
Hỉnh 2.7 Phản bố xác suất của cu trong hệ thống S
với sốphần tử ăng ten lần lượt là 8, 16 và 32


Chương 2: cải thiện chỉ tiêu của hệ thống thông tin di động...

75

Mặt khác, đối với kỹ thuật SDMA, cần xác định ti số CA khi
SMG thay đổi để xác định số người sử dụng tối đa dùng chung
một kênh vật lý. Hình 2.7 đưa ra phân bố xác suất cùa C/I với
một kích thước mẫu tái sử dụng tần số cố định bằng 4, song có
SMG thay đổi và với số phần tử ăng ten M khác nhau.
Ta có thể thấy rằng, với kỹ thuật SFIR, có thể giảm kích
thước mẫu xuống bằng Ì, do đó mỗi ô có thể sử dụng toàn bộ số
kênh khả dụng.
Khi SMG bằng 4 thì dung lượng tăng lên gấp 4 lần. Vói kỹ
thuật SDMA, giá trị cực đại cùa SMG có thể lên tới 8.
2.2.3 Khả năng triển khai trong thực tê
2.2.3.1 Tăng dung lượng hệ thống
Trong các khu vực đông dân cư, hệ thống di động thường bị

giới hạn bài các nhiêu thông thường, đó là nhiễu từ những người
dùng khác, đây là nguồn gây ra tạp âm chính đối với hệ thống.
Do đỏ, yêu cầu tỷ số tín hiệu trên nhiều SIR sẽ phải lớn hơn
nhiều so vói tỷ số tín biêu trên tạp âm nhiệt SNR. Việc sử dụng
dàn ăng ten thông minh sẽ cải thiện đáng kê vè vấn để này.
Ăng ten thông minh đồng thời làm tăng mức tín hiệu thu có
ích và làm giảm mức nhiễu, do đó tăng được tỳ số SIR, các báo
cáo kết quả thử nghiệm cho thấy có thể làm tăng giá trị SIR
trung bình trong các khu vực đô thị thêm 10 dB. Trong các hệ
thống TDMA, việc tăng giá trị SIR tương ứng với khả năng có
thể giảm khoảng cách tái sử dụng tần số. Hình 2.8 là một ví dụ
giảm khoảng cách tái sử dụng tần số từ mẫu 7 ô truyền thống
xuống mẫu 3 ô, làm tăng dung lượng lén 7/3 lần vì các ô sẽ được
cấp phát tổng số lượng sóng mang nhiều hơn.