Chương 1 trình bày khái quát về mục đích, phạm vi và đối tượng nghiên cứu cùng các đóng góp chính của luận văn. - Chương 2 trình bày lý thuyết vùng phủ sóng mạng di động tế bào, các vấn đề liên quan đến chất lượng vùng phủ sóng, vai trò của góc ngẩng anten và mô hình truyền sóng đối với chất lượng vùng phủ sóng vô tuyến. - Chương 3 giới thiệu mạng di động 4G LTE, các khái niệm dung lượng tài nguyên vô tuyến, các tiêu chí đánh giá tải và các chỉ số KPI chính. - Chương 4 trình bày giải thuật tự động cân bằng dung lượng trong mạng vô tuyến tế bào trên cơ sở thay đổi góc ngẩng anten của sector nghẽn và các sector lân cận giúp tối ưu chất lượng vùng phủ sóng và nâng cao hiệu suất sử dụng tài nguyên.
- Chương 5 đánh giá hiệu quả bằng việc áp dụng giải thuật vào mạng thực (thử nghiệm trên một cluster khoảng 50 – 100 trạm phát sóng của nhà mạng Viettel). - Cuối cùng, chương 6 là phần kết luận chung về những điều đạt được và chưa đạt được trong luận văn, từ đó đưa ra những hướng nghiên cứu phát triển mới. Trịnh Xuân Dũng HVTH: Võ Quốc Nhật Chương 2 Các thông số ảnh hưởng đến chất lượng vùng phủ sóng vô tuyến 2.1 Cấu trúc cơ bản của một hệ thống truyền thông không dây 2.1 Giới thiệu Một hệ thống truyền thông không dây thông thường bao gồm các thành phần chính sau: máy phát, máy thu, anten và kênh truyền [4]. Kênh truyền Anten Anten Máy phát Máy thu Hình 2.1: Hệ thống truyền thông không dây 2.2 Máy phát Chức năng của máy phát là xử lý các thông tin cần truyền đi để tạo ra sóng vô tuyến và.
Quá trình chuyển thông tin thành sóng vô tuyến bao gồm nhiều bước khác nhau như điều chế (modulation), chuyển tần (upconvertion) và khuếch đại (amplification). Các máy phát trên thực tế có nhiều hình dạng và kích cỡ khác nhau, công suất ngõ ra của máy phát cũng rất đa dạng, tùy thuộc vào từng mục đích sử dụng.3 Máy thu Chức năng của máy thu là nhận thông tin thu được thông qua anten thu và khôi phục lại thông tin có ích mà máy phát muốn truyền đến. Quá trình hoạt động của máy thu được xem như là quá trình đảo ngược lại của với máy phát. Thông thường, cấu tạo máy thu sẽ phức tạp hơn máy phát vì quá trình xử lý thông tin thu được sẽ gặp nhiều khó khăn do các yếu tố như suy hao trên đường truyền, fading, 5 GVHD: TS.
Trịnh Xuân Dũng HVTH: Võ Quốc Nhật phản xạ, tán xạ… Hiện nay có rất nhiều mô hình máy thu khác nhau và hiệu quả của từng mô hình cũng khác nhau.4 Anten Anten là thiết bị có vai trò quan trọng trong hệ thống truyền thông không dây, có chức năng chuyển đổi từ năng lượng điện sang sóng điện từ và ngược lại. Tùy vào mục đích sử dụng cụ thể, việc thiết kế anten thông thường dựa vào đặc tính hoạt động của chúng. Anten thường sử dụng trong các hệ thống phát thanh vô tuyến cần bức xạ tín hiệu đồng đều ra các hướng trên bề mặt đất, để cho các máy thu ở các vị trí bất kỳ đều có thể thu được tín hiệu của đài phát. Ngược lại trong các hệ thống thông tin di động mặt đất hoặc thông tin vệ tinh, yêu cầu đặt ra là các anten cần bức xạ tín hiệu có độ hướng tính cao, nghĩa là sóng bức xạ chỉ tập trung vào một hướng nhất định trong không gian.
Khi đó nhiệm vụ của anten không còn đơn thuần là biến đổi năng lượng điện sang sóng điện từ mà còn phải bức xạ sóng điện từ đó theo những hướng nhất định với các yêu cầu kỹ thuật cho trước. Một số loại anten tiêu biểu như anten phản xạ (Reflector antennas) ,anten lưỡng cực (Dipoles antennas), anten vi dải (Microstrip antenna)… 2.5 Kênh truyền Kênh truyền đặc trưng cho quá trình truyền tín hiệu giữa máy phát và máy thu. Trên kênh truyền có những yếu tố làm thay đổi tín hiệu, làm cho tín hiệu thu được tại máy thu không còn giống nguyên vẹn tín hiệu phát đi tại máy phát. Các yếu tố ảnh hưởng đến tín hiệu bao gồm sự suy hao, phản xạ, tán xạ, nhiễu xạ, khúc xạ… Sự di chuyển của máy phát hoặc máy thu hoặc thậm chí của môi trường xung quanh cũng có thể gây ra hiệu ứng dịch tần số Doppler đối với tín hiệu, điều này ảnh hưởng không nhỏ đến việc thu nhận tín hiệu và cần phải được tính toán rất kỹ lưỡng.6 Công suất tại máy thu Công suất tại máy thu được tính qua phương trình tổng quát sau: 𝑃𝑅 (𝑑𝐵𝑚) = 𝑃𝑇 (𝑑𝐵𝑚) + 𝐺 (𝑑𝐵 ) − 𝐿(𝑑𝐵) (2.1) Trong đó: - 𝑃𝑅 : công suất nhận được tại máy thu (dBm) - 𝑃𝑇 : công suất phát của máy phát (dBm) - 𝐺: tổng độ lợi của anten phát và anten thu (dB) - 𝐿: suy hao trong quá trình truyền sóng (dB), bao gồm: o Suy hao do mô hình truyền sóng o Suy hao do các hiện tượng: đa đường, tán xạ, phản xạ, nhiễu xạ… o Suy hao do thời tiết, khí hậu o Suy hao do cây cối và con người 6 GVHD: TS.
Trịnh Xuân Dũng HVTH: Võ Quốc Nhật 2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng phủ sóng mạng vô tuyến tế bào Mạng vô tuyến tế bào có đầy đủ các đặc trưng của một hệ thống truyền thông không dây như đã được giới thiệu ở phần 1. Có nhiều yếu tố khác nhau quyết định chất lượng vùng phủ sóng trong mạng vô tuyến tế bào: 2.1 Phổ tần số sử dụng Ứng với mỗi dải tần số nhất định, các thông số như suy hao, fading, nhiễu… của môi trường truyền sóng cũng sẽ thay đổi. Tùy thuộc vào từng loại mô hình truyền sóng được lựa chọn để đặc trưng cho môi trường, các giá trị suy hao, fading, nhiễu… sẽ được ước lượng, từ đó nội suy ra các thông tin về chất lượng phủ sóng mạng tế bào.2 Môi trường truyền sóng vô tuyến Các môi trường vô tuyến khác nhau ứng với mỗi dải tần số nhất định sẽ được đặc trưng bằng một mô hình truyền sóng, bao gồm các hệ số xác định trước để có thể tính toán ra được suy hao trên đường truyền sóng, từ đó ước lượng ra mức thu tại những khoảng cách khác nhau tính từ trạm phát, phục vụ cho các mục đích thiết kế mạng vô tuyến. Thực tế việc truyền sóng vô tuyến trong những môi trường khác nhau là rất khác nhau (ví dụ như việc truyền sóng trong môi trường đô thị, truyền sóng trong môi trường đồi núi nhiều cây cối, truyền sóng trong nhà…).3 Mật độ trạm phát sóng Mật độ trạm phát sóng cũng là một yếu tố quyết định đến chất lượng vùng phủ sóng vô tuyến.
Mật độ trạm càng dày thì cường độ tín hiệu thu được tại các điểm càng mạnh, tuy nhiên cần đặc biệt chú ý đến tỉ số tín hiệu trên can nhiễu do các cell lân cận nhau gây nên. Hiện nay, khi nhu cầu về tài nguyên vô tuyến ngày một tăng lên, để đảm bảo yêu cầu về lưu lượng các nhà mạng thường bổ sung thêm các giải pháp tài nguyên bằng cách bổ sung thêm trạm phát sóng, tuy nhiên vấn đề khống chế được tỉ số tín hiệu trên can nhiễu nằm trong giới hạn cho phép là một bài toán khó và cần được chú trong đặc biệt.4 Các thông số thiết kế của anten phát Các thông số thiết kế của anten có vai trò rất quan trọng trong việc thiết kế vùng phủ sóng mạng vô tuyến. Các thông số này bao gồm vị trí đặt anten (Longtitude, Lattitude), chiều cao anten, hướng phủ Azimuth của anten, góc ngẩng Tilt của anten, công suất phát tín hiệu… Từng giá trị khác nhau của mỗi thông số này đều quyết định mức tín hiệu thu được tại máy thu, đồng thời ảnh hưởng đến tỉ số tín hiệu trên can nhiễu đối với các cell phục vụ lân cận khác [5]. Trịnh Xuân Dũng HVTH: Võ Quốc Nhật 2.3 Ảnh hưởng của góc ngẩng anten đối với vùng phủ sóng vô tuyến: 2.1 Hệ thống điều chỉnh góc ngẩng bằng cơ khí Giá trị góc ngẩng của anten có thể được thay đổi bằng cách điều chỉnh cơ khí hướng phủ của anten so với bề mặt đất, từ đó làm thay đổi hướng búp sóng chính của tín hiệu bức xạ qua bề mặt anten [6].
Việc điều chỉnh cơ khí này đòi hỏi phải có nhân công thực hiện trực tiếp tại trạm nên đây là giải pháp tốn kém về thời gian và nhân lực. Hình ảnh thực tế thay đổi góc Tilt cơ khí: Hình 2.2: Thay đổi góc Tilt cơ khí 2.2 Hệ thống điều chỉnh góc ngẩng bằng điện Bên cạnh việc hiệu chỉnh cơ khí, hướng phủ của anten có thể được thay đổi thông qua việc thay đổi góc pha hoặc biên độ tín hiệu truyền đến phần tử anten trong cấu trúc mảng anten, từ đó thay đổi đồ thị bức xạ của anten [6]. Việc điều chỉnh góc ngẩng anten bằng cách thay đổi giá trị Electrical Tilt được thực hiện rất đơn giản, tiết kiệm chi phí vận hành khai thác. Vì vậy hiện nay hầu hết các anten sử dụng trong mạng di động đều có thể thay đổi giá trị Electrical Tilt.
Trịnh Xuân Dũng HVTH: Võ Quốc Nhật Hình 2.3: Thay đổi Tilt điện 2.3 Hệ thống điều chỉnh góc ngẩng từ xa (Remote Electrical Tilt – RET) Ngày nay, việc thay đổi giá trị Electrical antenna Tilt được thực hiện từ xa thông qua hệ thống Remote Electrical Tilt. Người vận hành có thể thay đổi giá trị góc ngẩng anten từ xa mà không cần trực tiếp thao tác tại trạm. Thông thường, hệ thống Remote Electrical Tilt này được kết nối đến hệ thống Operation Support System (OSS) của mạng vô tuyến.4: Thay đổi Tilt điện thông qua bộ RET 2.4 Mô hình truyền sóng thực nghiệm 2.1 Giới thiệu Tổng suy hao tín hiệu trên đường truyền từ trạm phát đến trạm thu bao gồm suy hao đường truyền vô tuyến (Path Loss) và các suy hao phụ, trong đó suy hao đường truyền là suy hao cơ bản trong quá trình truyền sóng. Suy hao đường truyền phụ thuộc tần số, khoảng cách truyền sóng và môi trường truyền sóng.
Các suy hao phụ tùy thuộc vào các 9 GVHD: TS. Trịnh Xuân Dũng HVTH: Võ Quốc Nhật điều kiện truyền dẫn và kiến trúc đô thị bao gồm các suy hao do fading, suy hao thâm nhập hay đâm xuyên vật chắn (do sự hấp thụ sóng điện từ của vật chắn), các loại tạp âm và nhiễu, suy hao do feeder, suy hao mối nối… Để tính toán suy hao đường truyền cần phải có các mô hình tính toán suy hao phù hợp.