CHƯƠNG 4 MỘT SỐ KẾT QUẢ ĐÁNH GIÁ MẠNG ĐƠN TẦN
4.1 Kết quả thu được với mạng đơn tần diện rộng
Trong hình vẽ 4.2, chúng ta so sánh hệ số đánh giá chất lượng của mạng cho mạng quốc gia ứng với các khoảng cách là 40 km, 70 km và 100 km giữa các máy phát. Độ cao anten 150m và hệ số tương quan góc bằng 0. Đồ thị chỉ ra hai đường cong cho mỗi khoảng cách đang xét, đường cong thấp nhất tương ứng với hàm trọng số tuyến tính (khi tối ưu), L(i) và đường cong cao nhất tương ứng với hàm trọng số bậc hai thực tế Q(i).
Sự khác nhau giữa L(i) và Q(i) mode tuyến tính và mode bậc hai có thể thấy rõ ở công suất phát xạ lớn. Ngược lại, năng lượng phụ của cả hai trường hợp có kết quả giống nhau. Kết quả này cũng chỉ ra rằng khoảng cách tối đa giữa các máy phát là 100km và các khoảng cách ngắn hơn giá trị này thì cho ta kết quả phủ tốt hơn. Để có được độ phủ sóng thích hợp thì chúng ta có thể sử dụng khoảng cách giữa các máy phát là 60km và công suất phát xạ tối thiểu là 300W trên một chương trình.
Hình vẽ 4.2 Hệ số đánh giá chất lượng mạng với những khoảng cách giữa các máy phát (40, 70, 100)km. So sánh khi dùng L(i) và Q(i).
Hình vẽ 4.3 Hệ số đánh giá chất lượng mạng với những khoảng cách giữa các máy phát (40, 70) km và ảnh hưởng của độ cao anten.
Hình vẽ 4.2 chỉ ra hệ số đánh giá chất lượng của mạng cho những khoảng cách máy phát là 40 km, 70 km, 100km phụ thuộc vào năng lượng phát xạ. Sử dụng chiều cao anten ht = 150m. So sánh giữa hàm trọng số bậc hai Q(i) và hàm trọng số tuyến tính L(i).
Hình vẽ 4.3 chỉ ra hệ số đánh giá chất lượng của mạng cho những khoảng cách 40 km, 70 km phụ thuộc vào năng lượng phát xạ và ảnh hưởng của độ cao anten đến hệ số này.
Những độ cao anten khác nhau được sử dụng ở hình vẽ 4.3 cho những khoảng cách giữa các máy phát khác nhau 40km, 70km. Mặc dù nhiễu kí sinh trong mạng sẽ nhiều khi anten cao, nhưng độ cao anten vẫn được ưa dùng là do nhiễu kí sinh này không thể tăng đến năng lượng tín hiệu có ích bởi nó tuân theo mode của đường cong suy hao. Đường cong suy hao này được mô tả như hình 3.10.
Khoảng cách giữa các máy phát là 40km thì cho độ phủ tốt hơn với khoảng cách 70km. Đường cong biểu diễn hệ số đánh giá chất lượng đối với trường hợp sử dụng anten cao hơn trên hình vẽ 4.3 là thấp hơn có nghĩa là anten cao được sử dụng nhiều hơn ở mạng đơn tần diện rộng bởi nó cho độ phủ tốt hơn.
Những ảnh hưởng của nhiễu thành phần Phadinh che lấp tương quan trong mạng diện rộng được mô tả ở hình vẽ 4.4. Đồ thị chỉ ra hàm phân bố tích luỹ của SIR trong mạng diện rộng này.
Hệ thống được cho là nhiễu hữu hạn có nghĩa là ảnh hưởng hiệu suất của năng lượng phát xạ ở một mức nào đó mà tạp âm nhiệt có thể bỏ qua. Kết quả này chỉ ra rằng tính chất phủ của mạng đơn tần diện rộng phụ thuộc vào mối liên
(4.1)
quan trong những thành phần nhiễu Phadinh che lấp. Với trường hợp xấu nhất khi có tương quan Phadinh che lấp thấp, SIR trung bình tăng theo cường độ giữa hệ số tương quan a = 0,0 và a = 0,8 cho cả hai khoảng cách máy phát là 40km và 100km. Lí do xảy ra điều này trong mạng đơn tần là nhiễu kí sinh trong mạng trở nên tương quan và sự tương quan giảm thay đổi của nhiễu. Ví dụ với a = 1, SIR chỉ phụ thuộc vào mối quan hệ khoảng cách giữa máy thu và những máy phát.
Những máy phát ở gần nhất luôn luôn có tín hiệu mạnh nhất và nhiễu kí sinh gây ra bởi những máy phát ở xa gây nhiễu ít hơn. Hình vẽ 4.5 chỉ ra hệ số đánh giá chất lượng mạng cho mạng quốc gia với những khoảng cách giữa các máy phát là 40, 70, 100km và các giá trị của hệ số tương quan góc a là (0,0 0,4 0,8).
Chúng ta chú ý rằng đặc tính phủ sóng là một hàm của hệ số góc tương quan a với năng lượng phát xạ cao.
Kết quả này được chỉ ra ở hình vẽ 4.4 ở đó hệ thống được coi là nhiễu hữu hạn. Với năng lượng máy phát nhỏ thì kết quả ngược lại, bởi thế mới có mối liên quan với năng lượng tín hiệu, cho rằng một trong những tín hiệu có ích thu được là lớn hơn năng lượng tạp âm nhiệt. Mặc dù sự tương quan không ảnh hưởng mạnh đến độ phủ sóng nhưng năng lượng phát xạ phải được chọn một cách cẩn thận.
Hình vẽ 4.4 chỉ ra hàm phân bố luỹ tích (cdf) của SIR là phụ thuộc vào hàm tương quan góc . Hệ thống nhiễu giới hạn (bỏ qua nhiễu).
Hình vẽ 4.5 chỉ ra hệ số đánh giá chất lượng của mạng cho các khoảng cách máy phát 40 km, 70 km, 100 km phụ thuộc năng lượng phát xạ với các giá trị khác nhau của hệ số tương quan Phadinh che lấp a.
Hình vẽ 4.4 Hàm phân bố luỹ tích (cdf) của SIR là phụ thuộc vào hàm tương quan góc .
4.2 Kết quả thu được cho mạng đơn tần diện hẹp
Ngược lại với sự bao phủ cho mạng diện rộng, mạng diện hẹp là đối tượng của nhiễu ngoại nếu như mạng bên cạnh hoạt động ở cùng một băng tần. Cả nhiễu nội và nhiễu ngoại đều phải được quan tâm ở đây.
Hình vẽ 4.6 chỉ ra hệ số đánh giá chất lượng của mạng như là một hàm của bán kính vùng dịch vụ mà ở đó nhiễu ngoại bị bỏ qua. Độ cao anten là 37,5 m và công suất máy phát là 1kW trên một mạng. Mỗi mạng đơn tần diện hẹp có thể bao gồm M = (1,3,7,19) máy phát. Với mỗi mạng chỉ sử dụng một máy phát thì không có bất kì một sự tăng ích nào của mạng. Việc thêm vào nhiều máy phát cho một mạng làm tăng độ tăng ích của mạng đó. Điều này được thể hiện trên hình vẽ 4.6.
Vì nhiễu ngoại có thể bỏ qua cho nên kết quả chỉ ra rằng một độ bao phủ thích hợp có thể đạt được bằng việc chỉ sử dụng một máy phát cho một diện tích bán kính 20km. Khoảng cách bao phủ lớn hơn có thể đạt được bằng cách tăng độ cao anten. Mặt khác, nếu mạng diện hẹp mà sử dụng mật độ máy phát dầy đặc sẽ trở nên hạn chế bởi nhiễu ngoại. Điều này được mô tả trên hình vẽ 4.7 ở đó đồ thị chỉ ra rằng độ phủ sóng tăng như thế nào có giới hạn khi có một vài mạng diện hẹp ở gần mà hoạt động ở cùng một tần số. Có vẻ như là số lượng máy phát trên một diện tích hẹp là hết sức quan trọng. Kết quả chỉ ra là với một diện tích hẹp có thể sử dụng 19 máy phát cho một vùng phủ sóng tốt. Hình vẽ 4.7 chỉ ra rằng số máy phát trên một đơn vị diện tích tăng thì độ phủ sóng cũng tốt hơn.
Đối với vùng dịch vụ SFN có diện tích lớn hơn, mạng bắt đầu xuất hiện nhiễu nội và làm giảm chất lượng của mạng. Điều này càng rõ rệt khi khoảng bảo vệ nhỏ. Khi khoảng bảo vệ nhỏ thì diện tích vùng phủ sóng phải được lưu tâm kĩ
càng. Do đó, rút ra là đối với mạng đơn tần diện hẹp dùng khoảng bảo vệ nhỏ thì vùng dịch vụ cũng nên nhỏ (nên sử dụng anten thấp).
Hệ số đánh giá chất lượng của mạng đối với những giá trị công suất phát khác nhau được thể hiện trên hình vẽ 4.8 và 4.9. Tạp âm nhiệt cũng có ảnh hưởng ở đây và hệ thống trở nên hạn chế nhiễu cho một công suất vừa phải và khi tăng công suất phát lên sẽ không có bất kì một sự cải thiện nào. So sánh hai hình vẽ nhận thấy khi vùng diện tích hẹp thì việc tăng công suất không ảnh hưởng đến hệ số đánh giá chất lượng của mạng, chỉ khi diện tích được tăng lên thì việc công suất tăng mới có ảnh hưởng rõ rệt đến hệ số này.
Hình vẽ 4.6 Hệ số đánh giá chất lượng của mạng là một hàm của bán kính vùng dịch vụ với số lượng máy phát khác nhau. Độ cao anten là 37,5 m và công suất máy phát là 1kW trên một mạng.
Hình vẽ 4.7 Hệ số đánh giá chất lượng của mạng là một hàm của bán kính vùng dịch vụ với số lượng máy phát khác nhau. Độ cao anten là 37,5 m.
Hình vẽ 4.8 Hệ số đánh giá chất lượng của mạng đối với những giá trị công suất phát khác nhau. M = 7 máy phát và độ cao anten là 37,5m.
Hình vẽ 4.9 Hệ số đánh giá chất lượng của mạng đối với những giá trị công suất phát khác nhau. M = 19 máy phát và độ cao anten là 37,5m.
Bên cạnh số lượng máy phát trong mạng diện hẹp và công suất máy phát, thì độ cao anten cũng ảnh hưởng đến hệ số đánh giá chất lượng của mạng. Hình vẽ 4.10 nêu ra quan hệ của hệ số đánh giá chất lượng của mạng phụ thuộc vào các chiều cao anten khác nhau. Hình vẽ chỉ ra rằng, độ cao anten thấp được ưa dùng cho vùng diện tích nhỏ do nhiễu ngoại bị giảm. Với anten cao hơn nó được sử dụng cho vùng diện tích lớn hơn. Tuy nhiên, nhiễu tăng với việc tăng chiều cao của anten. Vì khoảng bảo vệ được sử dụng là ngắn, nên có tồn tại một chiều cao anten tối ưu cho một bán kính dịch vụ cho trước. Kết quả chỉ ra là chiều cao anten lớn hơn 150m không nên dùng vì vấn đề nhiễu.
Hình vẽ 4.11 chỉ ra hệ số đánh giá chất lượng của mạng cho mạng đơn tần diện rộng với những độ cao anten phát khác nhau. M= 19 máy phát, ht= (37.5 , 150 , 300) m. Khoảng bảo vệ là lớn khiến nó có thể phủ một vùng diện tích lớn.
Kết quả thu được ở hình vẽ 4.10 và 4.11 chỉ ra khoảng bảo vệ được chọn một cách kĩ lưỡng và nói chung khoảng bảo vệ phụ thuộc vào kích cỡ vùng dịch vụ. Mặc dù hình vẽ 4.11 chỉ ra rằng anten cao đạt được độ phủ tốt cho một diện tích lớn và kết quả tương tự nếu tăng công suất phát cho vùng rộng.
Hình vẽ 4.12 chỉ ra hệ số đánh giá chất lượng của mạng cho những công suất khác nhau và chiều cao anten là 150 m. Hệ thống đạt kết quả tốt vì nhiễu ngoại bị hạn chế khi bán kính vùng dịch vụ nhỏ hơn 40 km. Hệ thống không gặp trở ngại với nhiễu nội cho diện tích lớn vì khoảng bảo vệ sử dụng là lớn.
Hình vẽ 4.10 Hệ số đánh giá chất lượng của mạng phụ thuộc vào các chiều cao anten khác nhau. M = 19 máy phát và độ cao anten là (37,5 150 300)m.
Hình vẽ 4.11 Hệ số đánh giá chất lượng của mạng cho mạng đơn tần diện rộng với những độ cao anten phát khác nhau. M = 19 máy phát và độ cao anten là (37,5 150 300)m.
Hình vẽ 4.13 chỉ ra hàm phân bố tích luỹ cho SIR:
được mô tả cho mạng diện hẹp địa phương. Ta thấy rằng hệ thống là giới hạn nhiễu trong mạng đơn tần diện hẹp. Kết quả chỉ ra rằng thuộc tính phủ tốt chỉ có được khi có sự tương quan trong các thành phần Phadinh che lấp. Độ lợi như nhau cho cả hai trường nhiễu ngoại (R = 20 km) và nhiễu nội (R = 50 km). Cả hình vẽ 4.4 và 4.13 đều chỉ ra mối tương quan tác động mạnh đến những hệ thống giới hạn nhiễu.
Hình vẽ 4.12 Hệ số đánh giá chất lượng của mạng cho những công suất phát khác nhau. M = 19 máy phát và chiều cao anten là 150m.
(4.2)
* Nhận xét:
Dựa trên việc khảo sát những kết quả thu được, ta đề xuất ra một vài qui luật cho việc xây dựng mạng đơn tần.
Chúng ta có thể từng bước xây dựng mạng mạng đơn tần dựa trên một vài luật sau, tuy nhiên cũng cần phải xem xét đến một vài thông số hết sức quan trọng như: hình dạng địa hình, khoảng cách máy phát, tần số sử dụng…
Đối với SFN diện rộng:
- Khoảng cách máy phát không nên quá lớn vượt quá 100km.
- Sử dụng anten cao.
- Chọn công suất máy phát tối thiểu 300W trên một chương trình.
Hình vẽ 4.13 Hàm phân bố luỹ tích (cdf) của SIR với các giá trị khác nhau của hệ số tương quan góc a. M = 19 máy phát, độ cao anten là 37,5 m.
Đối với SFN diện hẹp địa phương:
- Sử dụng càng nhiều máy phát có thể. Kết quả khảo sát ở trên là dùng 19 máy phát cho một vùng dịch vụ có thể đạt độ phủ sóng tốt.
- Chọn khoảng bảo vệ để mà nó luôn lớn hơn trễ trải nhân tạo của các máy phát có liên quan. Điều này đảm bảo rằng tất cả các máy phát trong mạng đều đóng góp vào công suất năng lượng hữu ích.
- Chọn chiều cao anten phù hợp để mà nhiễu giữa các mạng đơn tần lân cận bị hạn chế và giảm thiểu.
- Tần số cao là được ưa thích với điều kiện là Doppler có thể bỏ qua vì tần số cao sẽ dẫn đến hiệu ứng Doppler tăng.
4.3 Vị trí của máy phát
Chúng ta sẽ tìm hiểu xem vị trí máy phát đặt ở đâu thì cho độ phủ sóng là tốt nhất. Thông thường, vị trí máy phát đặt tại tâm của hình lục giác sẽ cho ta khả năng phủ sóng đồng đều. Trong mạng diện rộng, việc phủ sóng đồng đều trên mọi điểm thu trong vùng dịch vụ là một độ phủ tối ưu cần thiết và điều này chỉ có khi khoảng cách giữa các máy phát là đồng đều nhau ví dụ như máy phát đặt tại tâm mỗi hình lục giác. Do đó, hệ thống sẽ có một sự đối xứng về sự trải sóng trên vùng dịch vụ. Tại vùng diện hẹp, nhiễu xuất hiện thường xuyên được tạo bởi những máy phát của mạng đơn tần lân cận. Do đó, những vùng ranh giới hay những vùng ngoài rìa của vùng dịch vụ sẽ bị ảnh hưởng nhiều bởi nhiễu ngoại hơn là những vùng khác. Việc đặt máy phát tại tâm hình lục giác dường như không phải là sự lựa chọn tốt nhất. Đối với mỗi một mạng đơn tần thì hệ số đánh giá chất lượng của mạng, yêu cầu phải nhỏ hơn 1%, có nghĩa là hệ thống phủ ít
nhất 99% vùng dịch vụ của nó. Do đó, chúng ta cũng phải cân nhắc khi thiết lập vị trí của máy phát.
Trong phần này, chúng ta nghiên cứu thuộc tính phủ của một hệ thống mạng đơn tần dựa trên phương pháp điều chế OFDM. Độ phủ của mạng đơn tần phụ thuộc vào những tín hiệu đến từ nhiều máy phát và đó là độ lợi của mạng đơn tần. Những tín hiệu từ những máy phát ở gần là những tín hiệu có ích luôn luôn ở những mức công suất cao hơn so với những tín hiệu nhiễu của những máy phát từ đằng xa. Đặc điểm này cũng góp phần hình thành nên độ lợi của mạng đơn tần.
Như kết quả chỉ ra là thuộc tính phủ phụ thuộc vào rất nhiều thông số khác nhau, trong đó thông số quan trọng nhất là mật độ phân bố máy phát, cái mà hình thành nên độ đa dạng phủ của mạng đơn tần. Đối với cả hai mạng diện rộng và diện hẹp thì mật độ máy phát dày đặc thì đều cho ta thuộc tính phủ tốt. Và việc phân bố máy phát trải đều trên toàn vùng dịch vụ thì là phương án tốt vì nó cho một độ phủ trải rộng và đồng đều trên toàn vùng dịch vụ.
Chúng ta cũng thấy rằng để giảm nhiễu giữa các mạng cục bộ thì việc tăng số lượng máy phát trên vùng dịch vụ cũng là cần thiết. Với những vùng dịch vụ nhỏ thì nên sử dụng độ cao anten thấp thì hơn để làm giảm nhiễu giữa các mạng.
Đối với mạng lớn hơn, khoảng cách giữa các máy phát là lớn hơn thì việc dùng anten cao là thích hợp. Tuy nhiên, trong mạng loại này thì nhiễu giữa các symbol là rõ rệt hơn. Với một địa hình cho trước và hệ số đánh giá chất lượng của mạng cho trước thì hoàn toàn sẽ có một chiều cao anten cho vùng như thế.
Độ cao anten này sẽ gián tiếp phụ thuộc vào khoảng bảo vệ, cái mà được sử dụng để chống lại ISI. Để tránh ISI thì vùng dịch vụ phải nên nhỏ. Đối với vùng dịch vụ lớn thì phải dùng khoảng bảo vệ lớn hơn và có thể phủ một diện tích vùng dịch vụ lớn hơn với một anten cao hơn.
Vị trí máy phát cũng hết sức quan trọng, việc trải máy phát đồng đều trên vùng dịch vụ xuất hiện trong hầu hết các trường hợp với cả mạng diện rộng và diện hẹp bởi nó cho một độ phủ đồng đều, rộng khắp. Ngay cả với mạng diện hẹp thì phương án này cũng tốt. Tuy nhiên, khoảng cách chính xác đồng đều giữa các máy phát với nhau là không cần thiết lắm. Chúng ta có thể linh hoạt thay đổi vị trí máy phát cho những trường hợp cụ thể khác nhau như là phụ thuộc vào địa hình, tính chất ưu tiên vùng dân cư hay những lí do khác… Đối với mạng diện rộng, khoảng cách giữa các máy phát trung bình là 70km, sự thay đổi vị trí máy phát có thể dao động lớn mà không có nhiều trở ngại. Nhưng đối với mạng diện hẹp, sự thay đổi vị trí máy phát tối đa chỉ là một vài km.
Khi thiết kế, xây dựng hệ thống mạng đơn tần, chúng ta phải luôn chú ý đến vấn đề địa hình, phải cân nhắc kĩ càng khi xây dựng một mạng đơn tần cho phù hợp và tối ưu. Ngoài ra, cũng phải lưu tâm đến vấn đề kinh tế, để xây dựng một mạng đơn tần gọn nhẹ, phù hợp với những tiêu chí đã đề ra…
Trong chương tới, chúng ta sẽ tìm hiểu xem những mô hình mạng đơn tần nào thích hợp cho việc xây dựng mạng phát hình số ở Việt Nam.