BÀI TẬP LỚN THÔNG TIN VÔ TUYẾN Nghiên cứu các phương pháp cấp phát kênh tĩnh

0


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG
************************************


BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN THÔNG TIN VÔ TUYẾN


Đề tài:

Nghiên cứu các phương pháp cấp phát kênh tĩnh

Giáo viên hướng dẫn : PGS.TS Vũ Văn Yêm

Nhóm sinh viên :
Nguyễn Hoàng Ân - 20093371
Hoàng Văn Pháp - 20093561
Lớp KSTN-ĐTVT-K54

Hà Nội 11/2012
1

MỤC LỤC


MỤC LỤC 1
LỜI NÓI ĐẦU 2
1.1. Khái niệm tế bào 3

1.1.1. Tái sử dụng kênh trong các mạng tế bào 5
1.1.2. Sự chia tách tế bào 9
1.1.3. Chuyển giao 10
1.2. Cấp phát kênh 11
Chương 2. Cấp phát kênh tĩnh cho các mạng tế bào 13
2.1. Tỉ số S/I mục tiêu 15
2.2. Khoảng cách sử dụng lại tần số 18
2.3. Sắp xếp tế bào và các mẫu cấp phát kênh 19
Chương 3. Tối ưu hóa cấp phát kênh tĩnh 24
3.1. Xây dựng bài toán 24
3.2. Tối ưu hóa cấp phát kênh tĩnh 26
3.2.1. Hai phương pháp sắp xếp tế bào 26
3.2.2. Chiến lược cấp phát kênh 27
Chương 4. Mô phỏng 29
Mô phỏng bằng Matlab 29
Phụ lục: Code Matlab file scritp: 33
KẾT LUẬN 34
TÀI LIỆU THAM KHẢO 35


2

LỜI NÓI ĐẦU

Trong khoảng hai thập kỉ gần đây, nhu cầu phát triển điện thoại vô
tuyến và các dịch vụ dữ liệu vô tuyến ngày càng tăng mạnh. Nhu cầu các dịch
vụ vô tuyến của mạng tế bào đang tăng với tốc độ rất cai trong mỗi năm, tại
các vùng đô thị mật độ sử dụng dịch vụ thông tin di động cực cao, chính vì
vậy nhiều kĩ thuật khác nhau đã được sử dụng để tăng dung lượng hệ thống.
Có nhiều phương pháp được sử dụng bao gồm chia nhỏ tế bào, chỉ định tần số

mới, các phương pháp đa truy nhập mới (TDMA, CDMA) và kĩ thuật cấp
phát kênh động (DCA). Mặc dù có rất nhiều đề xuất với chiến lược cấp phát
kênh động, tuy nhiên tất cả các hệ thống tế bào hiện nay đều sử dụng cấp phát
kênh tĩnh vì những ưu điểm của nó. Chính vì vậy chúng em đã lựa chọn đề tài
“nghiên cứu phương pháp cấp phát kênh tĩnh”, cụ thể hơn ở đây là
phương pháp cấp phát kênh tĩnh được sử dụng trong mạng di động tế bào. Bố
cục của báo cáo được trình bày như sau:
Chương I: Tổng quan về mạng di động tế bào
Chương II: Cấp phát kênh tĩnh cho mạng tế bào
Chương III: Tối ưu hóa cấp phát kênh tĩnh
Chương IV: Mô phỏng
Trong quá trình nghiên cứu, do trình độ có hạn nên chắc chắn không
thể tránh khỏi những thiếu sót, vì vậy chúng em rất mong nhận được những ý
kiến bổ sung từ thầy, và trong quá trình học tập và nghiên cứu chúng em xin
đã nhận được những lời hướng dẫn, những kiến thức vô cùng quý báu tiếp thu
được từ thầy giáo - PGS.TS.Vũ Văn Yêm. Chúng em xin chân thành cảm ơn!

3

Chương 1. Tổng quan về mạng di động tế bào

Thông tin vô tuyến đã trở thành một phàn quan trọng của cơ sở hạ tầng
thông tin. Mặt khác, phổ tần số vô tuyến cấp phát cho hệ thống thông tin di
động tế bào là hạn chế. Chính vì vậy các tần số vô tuyến phải được sử dụng
một cách hiệu quả để đáp ứng những yêu cầu sử dụng ngày càng cao trong
thồi đại hiện nay. Chính vì vậy trong Đề tài này chúng em sẽ nghiên cứu về
vần đề làm thế nào để cấp phát kênh vô tuyến cho một cuộc gọi trong một
mạng thông tin di động tế bào và phương pháp cấp phát kênh tĩnh.
1.1. Khái niệm tế bào
Khái niệm tế bào xuất phát từ các hệ thống của mạng của Bell

theo chuẩn AMPS, đó là một kiến trúc mạng được tổ hợp từ các tế bào
hình lục giác.

(a)
4


(b)
Hình 1.1. Mạng di động tế bào

Sự tăng trưởng mạnh mẽ của thông tin di động không thể đạt
được thành tựu nếu không sử dụng khái niệm tế bào. Trước đó, việc
tiếp cận đối với thông tin di động là khá giống với truyền thanh vô
tuyến hay truyền hình quảng bá: việc phủ sóng một khu vực được cung
cấp bằng cách lắp đặt một máy phát công suất cao trên điểm cao nhất
của khu vực và truyền đi tín hiệu tới tới toàn bộ vùng phủ sóng. Phổ tần
vô tuyến khả dụng được chia tách thành nhiều kênh, mỗi kênh được
dành cho một người sử dụng cụ thể và tất cả người sử dụng liên kết tới
cùng máy phát. Số người sử dụng bị giới hạn bởi số lượng kênh khả
dụng, số lượng kênh khả dụng này bị khoá trong toàn bộ khu vực phủ
sóng bởi một số lượng nhỏ các cuộc gọi. Ví dụ, một nhà cung cấp dịch
vụ điện thoại vô tuyến phục vụ 10.000 khách hàng sẽ cần 10.000 kênh
khác nhau để thực hiện, mặc dù chỉ có một phần nhỏ trong số chúng sẽ
thực sự được sử dụng tại thời điểm cho trước bất kỳ.
5

Số kênh yêu cầu có thể giảm xuống bằng cách tái sử dụng các
kênh vô tuyến về thời gian và không gian. Việc tái sử dụng về thời gian
(còn được gọi là trunking), có nghĩa là sử dụng các kênh như nhau cho
các người dùng khác nhau tại các thời điểm khác nhau. Thiết bị đầu

cuối sẽ được cấp phát một kênh chỉ khi nó yêu cầu cho cuộc gọi. Mặc
dù trunking có thể sử dụng tài nguyên phổ tần vô tuyến một cách hiệu
quả hơn, dung lượng hệ thống vẫn còn khá hạn chế. Số lượng các cuộc
gọi đồng thời bị giới hạn bởi số lượng các kênh khả dụng. Vì phổ tần
vô tuyến là một nguồn tài nguyên quý hiếm nên chính điều này giới hạn
dung lượng hệ thống khá nhiều. Ví dụ, hệ thống di động tế bào Bell
của thành phố New York trong những năm 1970 đã sử dụng điện thoại
trunking, chỉ có thể hỗ trợ cho 12 cuộc gọi đồng thời. Hướng tiếp cận
khác của việc sử dụng các kênh vô tuyến một cách hiệu quả hơn là việc
tái sử dụng kênh về không gian. Các người dùng có thể sử dụng cùng
kênh tại cùng thời điểm trong khu vực địa lý không liền kề. Việc tái sử
dụng các kênh về không gian là không thể trong một mạng quảng bá
được tập trung, nhưng thay vào đó mạng được cấu trúc lại theo một
kiểu phân tán.
Việc tái sử dụng kênh về không gian là một trong những khái
niệm chủ yếu được sử dụng bởi một mạng tế bào để đạt được hiệu quả
trong việc sử dụng tài nguyên phổ tần. Hai đặc điểm chính khác của
các mạng tế bào là sự chia tách tế bào để giải quyết những yêu cầu tăng
cao và chuyển giao của các cuộc gọi di chuyển từ tế bào này đến tế bào
khác. Sau đây ta sẽ miêu tả chi tiết hơn mỗi đặc điểm này.

1.1.1. Tái sử dụng kênh trong các mạng tế bào
Để đạt một hiệu quả cao hơn trong việc sử dụng kênh thông qua
việc tái sử dụng kênh về không gian, vùng phục vụ được chia thành
nhiều khu liền kề. Một tế bào được xem như là vùng phủ sóng tương
6

đương của một khu vực địa lý cụ thể. Mỗi tế bào đều có máy phát riêng
đảm bảo thông tin vô tuyến với máy di động trong vùng nội hạt của nó
và nối tới trung tâm bằng dây. Khái niệm tế bào được miêu tả ở trên

được giới thiệu đầu tiên bởi MacDonald sử dụng hình tế bào lục giác
để biểu diễn một tế bào như trong hình 1.1. Lý do chọn cấu trúc tế bào
lục giác là trong số tất cả các cấu trúc hình lục cùng có bán kính để có
thể bao phủ một vùng mà không cần bất cứ khoảng trống nào, thì hình
lục giác có diện tích lớn nhất.
Không giống như các cách tiếp cận quảng bá truyền thống, ý
tưởng tế bào giải quyết vấn đề phủ sóng hoàn toàn khác. Thay vì bao
phủ một vùng rộng với chỉ một máy phát công suất cao, một mạng tế
bào cung cấp vùng phủ sóng bằng sử dụng rất nhiều máy phát công suất
thấp, mỗi máy phát được thiết kế một cách đặc biệt để phục vụ chỉ một
vùng (tế bào) nhỏ và bán kính không quá vài trăm mét. Bằng việc chia
tách khu vực phủ sóng ra thành nhiều tế bào nhỏ với mỗi máy phát của
chính nó, có thể (tối thiểu là về mặt lý thuyết) tái sử dụng các kênh như
nhau trong các tế bào khác nhau trong phạm vi vùng phục vụ.
Các tế bào nhỏ với việc tái sử dụng kênh có thể tăng khả năng
lưu lượng một cách thực sự. Để hiểu rõ điều này, có thể tưởng tượng
rằng có 12 kênh khả dụng trong một thành phố và thành phố được bao
phủ bởi 100 tế bào. Nếu tất cả các kênh có thể được tái sử dụng trong
mỗi tế bào, thì với cùng 12 kênh, thay vì 12 cuộc gọi đồng thời trong
toàn bộ thành phố sẽ là 12 kênh cho mỗi tế bào và 1200 cuộc gọi đồng
thời trong thành phố.
Tuy nhiên, trong thực tế việc tái sử dụng như thế là không thể.
Nếu cùng kênh được sử dụng trong 2 tế bào khác nhau mà 2 tế bào này
gần nhau về mặt địa lý, thì điều này có thể gây ra can nhiễu vô tuyến,
làm méo các tín hiệu. Hiện tượng này được gọi là xuyên nhiễu đồng
kênh, nó có thể làm giảm tỷ số tín hiệu trên tạp âm (SNR) tới một mức
7

độ mà tín hiệu không còn phân biệt được nữa từ tạp âm, khi người sử
dụng khác cũng đang sử dụng cùng kênh trong tế bào kế tiếp. Để đạt

một SNR có thể chấp nhận được, không nên tái sử dụng kênh giống
nhau trong hai tế bào khác nhau trong mạng, trừ khi chúng được chia
tách bởi khoảng cách tối thiểu được gọi là khoảng cách tái sử dụng s.
Mặc dù điều kiện về khoảng cách tái sử dụng làm cho việc bỏ
qua một hoặc một vài tế bào trước khi tái sử dụng kênh giống nhau là
cần thiết, ý tưởng cơ bản của việc tái sử dụng kênh trong khái niệm tế
bào là có căn cứ. Kênh giống nhau có thể được sử dụng để hỗ trợ nhiều
hơn một cuộc gọi đang thực hiện trong các phần khác nhau của thành
phố. Điều này là có thể bởi vì nhờ sự tổn hao đường truyền vô tuyến,
công suất trung bình nhận được từ một máy phát thay đổi tỷ lệ nghịch
với luỹ thừa 3 của khoảng cách từ người gửi, hoặc thậm chí một luỹ
thừa cao hơn lên tới 5 hay 6 phụ thuộc vào môi trườg vật lý. Kết quả là
nếu nghịch đảo luỹ thừa 4 của khoảng cách được chấp nhận, SNR có
thể được tính như sau:



























(1.1)


Hình 1.2 Sử dụng lại kênh

Ở đây d
S
(d
N
) là khoảng cách giữa nguồn tín hiệu (tạp âm) và
người sử dụng, và α là hằng số vật lý của môi trường. Như chúng ta có
8

thể thấy từ phương trình (1.1), SNR được xác định không phải bởi
khoảng cách địa lý d
S
và d
N
, mà bởi tỷ số giữa chúng. Nhờ đó có thể sử
dụng cách biểu diễn lý thuyết graph về điều kiện khoảng cách dùng lại

trong mạng tế bào.
Như đã chỉ ra ở hình 1.2, giả sử rằng mọi tế bào đều có cùng bán
kính r. Khi đó bất cứ người sử dụng nào trong tế bào A sẽ có khoảng
cách lớn nhất r kể từ máy phát của nó. Khoảng cách giữa máy phát của
tế bào A và người sử dụng khác trong tế bào C tối thiểu là 3r. Bởi vậy,
nếu công suất của máy phát của tế bào A có giá trị vừa đủ đối với mọi
người sử dụng trong tế bào A để nghe tín hiệu, công suất tín hiệu được
nhận bởi bất cứ người sử dụng nào trong tế bào C sẽ là




ᵙ 1%
của tế bào A. Tạp âm từ máy phát trong tế bào A khó có thể dẫn đến
méo tín hiệu một cách đáng kể ảnh hưởng đến thông tin trong tế bào C.
Trong các hệ thống hiện đại, khoảng cách tái sử dụng 2 hay 3 có lẽ là
đủ để bảo đảm tín hiệu nhận được từ máy phát chính vượt trội tạp âm
từ máy phát khác sử dụng cùng kênh.
Nếu khoảng cách tái sử dụng 2 được chấp nhận, các máy di động
trong các tế bào lân cận được bảo đảm sử dụng một nhóm các kênh
khác nhau. Tuy nhiên các tế bào không lân cận có thể sử dụng cùng
kênh. Ví dụ trong hình 1.2 các tế bào A và B là kế tiếp nhau, vì vậy
chúng không thể sử dụng cùng kênh. Tuy nhiên, các cuộc gọi trong các
tế bào A và C có thể sử dụng cùng kênh.
Trong thực tế, ảnh hưởng của việc xuyên nhiễu thường không
liên quan đến khoảng cách tuyệt đối, mà đến tỷ số khoảng cách giữa
các tế bào với bán kính của các tế bào làm cho ý tưởn mạng tế bào trở
nên hấp dẫn hơn. Bán kính tế bào được xác định bởi công suất máy
phát và bằng cách tăng hay giảm đơn giản mức công suất của máy phát,
các nhà khai thác hệ thống có thể thay đổi số lượng các tế bào trong hệ

thống và sau đó đến số lượng các cuộc gọi sẽ được hỗ trợ thông qua
9

việc tái sử dụng. Ví dụ, nếu khoảng cách tái sử dụng bằng 3 là cần thiết
cho tỷ số tín trên tạp chấp nhận được và một mạng lưới các tế bào bán
kính 10 dặm cho phép tái sử dụng tần số trong một tế bào tại khoảng
cách 30 dặm, thì một mạng các tế bào bán kính 5 dặm sẽ cho phép tái
sử dụng tại khoảng cách 15 dặm và các tế bào bán kính 1 dặm sẽ cho
phép tái sử dụng tại 3 dặm. Không cần bổ sung thêm kênh hệ thống dựa
trên các tế bào bán kính 1 dặm sẽ hỗ trợ số lượng người dùng 100 lần
lớn hơn hệ thống dựa trên tế bào bán kính 10 dặm.
Tất nhiên, nếu chúng ta có thể giảm một cách vô hạn kích thước
của các tế bào, vấn đề thiếu hụt phổ tần có thể được giải quyết một cách
dễ dàng bằng việc lắp đặt số lượng không giới hạn các tế bào cực nhỏ.
Tuy nhiên, chi phí cho việc lắp đặt và bảo dưỡng là cao và sự phức tạp
trong công việc điều khiển tăng làm cho giải pháp này không có tính
khả thi. Vấn đề quan trọng là phải sử dụng tốt hơn các tài nguyên sẵn
có trong hệ thống trước khi chuyển sang một hệ thống tế bào nhỏ hơn.

1.1.2. Sự chia tách tế bào
Khi số người sử dụng tăng lên, có lẽ sẽ không có sự lựa chọn nào
khác ngoài việc sử dụng nhiều các tế bào nhỏ hơn để hỗ trợ những đòi
hỏi ngày càng tăng trong vài vùng như là trung tâm của thành phố.
Nhưng sẽ là quá tốn kém nếu thay thế toàn bộ cơ sở hạ tầng thông tin tế
bào bằng một hệ thống tế bào bán kính nhỏ. Tuy nhiên, bằng việc sử
dụng một kỹ thuật được gọi là chia tách tế bào, các tế bào bán kính lớn
có thể chia thành các tế bào bán kính nhỏ trong một khoảng thời gian.
Khi mà lưu lượng trong một tế bào đã đạt đến điểm mà sự phân phối
kênh hiện thời trong tế bào đó không còn khả năng hỗ trợ lưu lượng
tăng thêm, thì các máy phát mới với công suất phát thấp hơn được lắp

đặt và mỗi máy phát này phủ sóng một khu vực nhỏ hơn bên trong
vùng tế bào trước đây. Bằng việc phân tế bào thành nhiều tế bào nhỏ
10

hơn, các kênh giống nhau được cấp phát với tế bào trước có thể được
tái sử dụng trong tế bào ban đầu. Do vậy, số lượng người sử dụng được
hỗ trợ tăng lên một cách đáng kể mà không làm gián đoạn bất cứ tế
bào nào khác trong hệ thống. Quá trình chia tách tế bào này có thể được
lặp lại để hỗ trợ nhiều người sử dụng hơn khi cần thiết.
Sự linh hoạt trong việc định thời gian và không gian đã làm cho
việc chia tách tế bào thành một kỹ thuật được ưa chuộng để tăng dung
lượng khi hệ thống mở rộng. Hệ thống có thể bắt đầu với số ít tế bào và
sự đầu tư thiết bị ban đầu có thể là rất thấp. Khi số lượng khách hàng
sinh lợi tăng lên, các tế bào mới và thiết bị có thể được bổ sung thêm.
Hơn nữa, chi phí của việc bổ sung các tế bào nhỏ hơn sẽ chỉ cần thiết
trong các khu vực với mật độ lưu lượng cao. Mặt khác, số ít tế bào lớn
sẽ đủ để hỗ trợ lưu lượng nhỏ trong các khu vực. Việc mở rộng của hệ
thống cũng sẽ có thể được thực hiện mà không làm lãng phí sự đầu tư
trước, khi một tế bào lớn được chia tách thành nhiều tế bào nhỏ, máy
phát của tế bào chính thức sẽ không bị giải tán, thay vào đó nó sẽ phù
hợp với phạm vi mới bằng cách giảm công suất.
Tuy nhiên, sự chia tách tế bào cũng có những nhược điểm hạn
chế sự áp dụng rộng rãi của nó trong thực tế. Chi phí của việc thiết lập
lên nhiều máy phát nhỏ là đủ lớn để làm cho các nhà khai thác mạng
sử dụng thiết bị khả dụng một cách hiệu quả trước khi thêm nhiều tế
bào hơn là hoàn toàn cần thiết. Bên cạnh việc chi phí nhiều về thiết bị,
với nhiều tế bào nhỏ hơn trong mạng thì hệ thống trở nên khó khăn hơn
cho việc quản lý.

1.1.3. Chuyển giao

Sự phức tạp của việc điều khiển hệ thống tăng lên với một hệ
thống tế bào nhỏ hơn. Với kích cỡ của các tế bào giảm đến vài trăm
mét, một hiện tượng xảy ra ngày càng nhiều là một cuộc gọi di động
11

không thể hoàn thành trong phạm vi của một tế bào. Một người sử dụng
trong ô tô đang chạy có thể xuyên qua một vài tế bào rất nhỏ trong một
cuộc đàm thoại. Không có một đường kết nối thông tin một cách chính
xác được thiết lập giữa người sử dụng và máy phát trong tế bào mới,
cuộc gọi hiện thời sẽ bị mất một cách đột ngột. Để giải quyết vấn đề
này, một kỹ thuật chuyển giao phức tạp được sử dụng. Sự di chuyển
của một cuộc gọi hiện tại được giám sát một cách liên tục thông qua
việc đo cường độ của tín hiệu nhận được từ các máy di động. Hệ thống
tế bào sẽ có thể nhận biết khi nào một cuộc gọi di động di chuyển từ
một tế bào đến một tế bào khác và có thể chuyển mạch cuộc gọi từ tế
bào hiện tại đến tế bào kế tiếp mà không bị rớt hoặc ngắt quãng cuộc
gọi đang đàm thoại.
1.2. Cấp phát kênh
Tài nguyên phổ tần vô tuyến bị hạn chế, chi phí cao và sự phức
tạp của các tế bào nhỏ đã thúc đẩy việc nghiên cứu về việc sử dụng các
kênh vô tuyến một cách có hiệu quả trong các mạng tế bào. Nói chung,
vấn đề cấp kênh trong một mạng tế bào là vấn đề của việc cấp phát các
kênh tần số cho các phiên liên lạc sao cho tránh được sự xuyên nhiễu.
Mục đích là sử dụng số lượng kênh càng ít càng tốt để cung cấp cho
lượng người sử dụng có thể ở mức tối đa với chất lượng dịch vụ có thể
chấp
nhận được.
Tại thời điểm bất kỳ cho trước trong một mạng tế bào, số lượng
kết nối cuộc gọi hoạt động được cung cấp bởi trạm cơ sở gần nhất của
chúng (máy phát). Dịch vụ này bao gồm việc cấp phát một kênh vô

tuyến tới mỗi cuộc gọi của thuê bao theo một kiểu mà xuyên nhiễu vô
tuyến giữa hai cuộc gọi khác biệt trong mạng là ở dưới mức độ có thể
chấp nhận. Thách thức là để tìm ra các chiến lược cấp kênh, tìm hiểu
nguyên lý của việc tái sử dụng kênh một cách tối đa mà không vi phạm
12

những cưỡng bức của việc tái sử dụng để nghẽn mạch là tối thiểu. Như
đã biết, tỷ số tín hiệu trên tạp âm chỉ liên quan tới tỷ lệ của khoảng cách
tới nguồn tín hiệu và khoảng cách tới nguồn tạp âm. Bởi vậy, sự cưỡng
bức xuyên nhiễu đồng kênh có thể được tách ra một cách tương xứng
như là sự cưỡng bức khoảng cách tái sử dụng trong một hình lục giác.
Sự dịch chuyển này có thể cung cấp hướng tiếp cận có tính lý thuyết
graph để nghiên cứu vấn đề cấp phát kênh.
Các mạng thông tin tế bào được đưa ra như graph hai chiều với
mỗi đỉnh đại diện một trạm cơ sở của một tế bào trong mạng và các
ranh giới đại diện sự lân cận có tính địa lý của các tế bào. Cụ thể, các
mạng tế bào luôn luôn được thể hiện dưới các hình lục giác và các hình
lục giác này có thể được định nghĩa như là các hình nhỏ được đưa ra có
giới hạn của mạng tam giác không giới hạn (xem hình 1.1).


13

Chương 2. Cấp phát kênh tĩnh cho các mạng tế bào

Thách thức chính trong việc thiết kế một hệ thống thông tin vô
tuyến là để đáp ứng nhu cầu sử dụng lớn trong khi tài nguyên phổ tần
vô tuyến bị hạn chế. Kỹ thuật cơ bản được sử dụng để tăng dung lượng
của một hệ thống thông tin tế bào là việc tái sử dụng kênh. Tuy nhiên,
việc tái sử dụng kênh bị giới hạn bởi hiện tượn xuyên nhiễu đồng kênh

và chi phí cao liên quan với hệ thống tế bào nhỏ hơn. Các chiến lược
cấp phát kênh hiệu quả là rất cần thiết để đạt hiệu quả trong việc tái sử
dụng phổ tần.
Cách tiếp cận cấp phát kênh tần số trong mạng tế bào khác nhau
cơ bản với cách tiếp cận sử dụng cho mạng “Tầm nhìn thẳng”. Do sự
phân tán trong môi trường mạng tế bào, việc sử dụng anten có độ tăng
ích cao với hướng cố định tại máy di động là điều không thể thực hiện
được. Hơn nữa, do phân tán, sự phân cực không thể sử dụng hiệu quả
để cung cấp các kênh riêng biệt cho các máy di động riêng rẽ. Thay vào
đó, tiến trình cấp phát kênh mạng tế bào là tương tự như đối với hệ
thống tế bào cung cấp các dịch vụ cho vị trí người sử dụng chưa biết
trong vùng phục vụ xác định. Mật độ người sử dụng được thiết lập bởi
thông tin lưu lượng, cùng với chất lượng dịch vụ, xác định dung lượng
tốc độ dữ liệu mà mạng cần phải cung cấp.
Do một vài khái niệm cơ bản của việc sử dụng lại tần số và
xuyên nhiễu là tương tự như các hệ thống tế bào, quy tắc tiếp cận thông
thường đối với việc quy hoạch kênh trong mạng tế bào sẽ được thảo
luận đầu tiên. Theo đó, các khía cạnh riêng biệt của đầu cuối xa cố định
(chứ không phải là di động) sẽ được kết hợp chặt chẽ cùng với các
chỉnh sửa phù hợp. Các chỉnh sửa này khai thác các đơn giản hoá mà
đầu cuối cố định có thể đem lại cho đầu cuối di động.
14

Cấu trúc tế bào truyền thống cho hệ thống tế bào được chỉ ra
trong hình 2.1. Cấu trúc lưới lục giác cơ bản cho các lớp tế bào được
chấp nhận bởi nó biểu diễn sự phủ sóng liên tục của vùng phục vụ
(không như hình tròn) và gần giống với vùng phục vụ đối xứng tròn
cho mỗi tế bào. Vì các máy di động ở xa được giả thiết có các anten
đẳng hướng, chúng sẽ nhận được xuyên nhiễu từ tất cả các tế bào khác
trong mạng, với các tế bào lân cận gần nhất có đóng góp xuyên nhiễu

lớn nhất được biểu diễn bởi các đường chấm chấm trong hình 2.1.
Khoảng cách giữa các tế bào được dùng cùng một tần số (theo đơn vị
bán kính tế bào lục giác R) được gọi là khoảng cách tái sử dụng.
Khoảng cách tái sử dụng phụ thuộc vào hai yếu tố: (1) tỷ số S/I yêu cầu
cần cho dịch vụ chấp nhận được và (2) tổn thất đường truyền của tia
mong muốn và các tia xuyên nhiễu.


Hình 2.1. Cấu trúc mạng tế bào lục giác đều cơ bản
15

2.1. Tỉ số S/I mục tiêu
Khoảng cách tái sử dụng kênh phụ thuộc vào tỷ số S/I yêu cầu
để đạt được dịch vụ có thể chấp nhận được tại máy di động. Dịch vụ
chấp nhận được có thể được miêu tả bởi độ sẵn sàng kết nối đạt
được trong phần trăm thời gian nào đó (ví dụ 99%) và trong phần
trăm vị trí nhất định (ví dụ 95%) của vùng dịch vụ mạng. Giá trị đầu
tiên chỉ ra chất lượng của tuyến liên kết trong khi giá trị thứ
hai chỉ ra bao nhiêu vị trí được cung cấp với dịch vụ thích hợp. Như
đã biết, cả hai tín hiệu mong muốn và tín hiệu xuyên nhiễu là đều
chịu sự ảnh hưởng pha-đinh. Các ảnh hưởng này được mô hình tổng
quát bởi hai cơ chế:
1. Sự biến thiên đường bao điện áp tín hiệu được miêu tả bởi
phân bố xác suất Rice.
2. Sự biến thiên mức tín hiệu trung bình từ vị trí đến vị trí
khác không thể dự đoán trước bằng các mô hình đường truyền đơn
giản. Pha-đinh che khuất thường được miêu tả bởi một phân bố
chuẩn lôga của giá trị trung bình.
Đưa pha-đinh chuẩn lôga vào tính toán, tỷ số S/I tính bằng dB
được miêu tả với một phân bố xác suất được cho bởi :

  










ở đây S là tín hiệu mong muốn có phân bố chuẩn lôga và In là
các tín hiệu xuyên nhiễu phân bố chuẩn lôga. Xác suất liên kết tới
một máy di động có độ sẵn sàng chấp nhận được 

là xác suất mà 
lớn hơn ngưỡng S/I yêu cầu 

đối với tỷ lệ lỗi bít yêu cầu (BER),
hay:
16










Thông thường trong các hệ thống tế bào, tiến trình cấp phát
kênh được thực hiện sử dụng các giá trị trung bình của tín hiệu
mong muốn và xuyên nhiễu chứ không tính đến phân bố pha-đinh.
Trong mạng băng rộng cố định có sự mong đợi độ sẵn sàng dịch vụ
cao hơn trong hệ thống tế bào, cần phải tính đến phân bố pha-đinh
trong giá trị S/I được sử dụng để thiết lập cấp phát kênh và tái sử
dụng. Thuật toán cấp phát kênh trong hệ thống “Tầm nhìn thẳng”
tính đến pha-đinh bằng cách đưa vào độ dự trữ pha-đinh thích hợp
trong tỷ số S/I mục tiêu khi tìm kiếm một kênh khả dụng.

Hình 2.2. Phân bố xác suất suy giảm đối với mô hình pha-đinh
phân bố Rice với hệ số k biến đổi
17


Hình 2.3 Xác suất mức tín hiệu pha-đinh chuẩn lôga

Một cách tiếp cận tương tự có thể được sử dụng ở đây. Nếu
điều chế 16-QAM được sử dụng, tỷ số S/I yêu cầu cho BER thô cỡ
10-3 là 12 dB (đó là FEC- có thể sửa sai tới 10-6). Nếu độ dự trữ
pha-đinh là 16 dB được sử dụng để đạt được 90% độ sẵn sàng của
tuyến với hệ số Rice k là 0 dB (xem hình 2.2), thì chỉ tiêu S/I là 28
dB. Nếu sự biến đổi vị trí theo hàm chuẩn lôga được xét tới và giả
sử độ lệch tiêu chuẩn là 8 dB, thì việc đạt được một tỷ số S/I có thể
chấp nhận được trong 90% vị trí yêu cầu tỷ số S/I phải tăng hơn
10.5 dB (xem hình 2.3) đến 38.5 dB. Mục tiêu tỷ số tín hiệu trên
xuyên nhiễu này (SIR) có thể giảm đi đáng kể nếu giả thiết phân tập
anten có thể làm giảm pha-đinh đa đường, giảm độ dự trữ pha-đinh
Rice 10 dB hay nhiều hơn. Mục tiêu SIR của mạng do vậy giảm tới
cỡ 28.5 dB. Do yêu cầu độ sẵn sàng đặt ra, chỉ tiêu giá trị S/I này là

cao hơn đáng kể các giá trị bình thường sử dụng cho quy hoạch
nhóm tế bào trong các hệ thống tế bào.
18

2.2. Khoảng cách sử dụng lại tần số
Nếu các Trạm cơ sở và các máy di động được giả thiết có các
anten đẳng hướng, thì yếu tố duy nhất làm suy giảm tín hiệu xuyên
nhiễu so với tín hiệu mong muốn từ tế bào gần nhất là khoảng cách.
Trong không gian tự do với tổn thất đường truyền tỷ lệ với 20 ,
tỷ số của khoảng cách đến trạm cơ sở phục vụ và khoảng cách đến
trạm cơ sở xuyên nhiễu phải bằng 6.3 để đạt được tỷ số S/I là 16 dB.
Tuy nhiên, do các đường truyền này là không trực tiếp, tổn thất
đường truyền thực từ một trạm cơ sở đến một máy di động sẽ cao hơn
đáng kể tổn thất đường truyền trong không gian tự do. Tổn thất này
thường được xấp xỉ trong cách tính đơn giản bởi cách tăng giá trị mũ
cho số hạng suy hao khoảng cách trong phương trình tổn thất đường
truyền từ 2 (đối với không gian tự do) đến các giá trị cao hơn. Điều
này được biểu diễn theo dạng dB như sau:








ở đây n>2. Ví dụ mô hình đường truyền trong IEEE 802.16 cho các
tần số mạng tế bào, giá trị mũ này là một hàm đơn giản phụ thuộc vào
các loại địa hình (A, B hay C) và độ cao anten trạm gốc trên mặt đất.
Đối với một anten trạm gốc có độ cao 30m, các giá trị của số mũ là

4.79, 4.38 và 4.12 đối với các loại địa hình tương ứng là A, B hay C.
Giả thiết tổng quát được chấp nhận là tán cây và tín hiệu xuyên toà
nhà sẽ ảnh hưởng đến các tín hiệu nhiễu và tín hiệu mong muốn gần
như nhau, do đó các yếu tố tổn hao này sẽ không ảnh hưởng đến tỷ số
S/I.
Nếu giá trị số mũ n = 4.38 được sử dụng trong (2.3), thì tỷ số
S/I là 16dB có thể đạt được với tỷ lệ khoảng cách là 2.3 thay vì 6.3.
Tuy nhiên, các máy di động trong một tế bào có sáu tế bào gần nhất sử
dụng cùng một kênh. Giả thiết rằng công suất của tín hiệu xuyên nhiễu
được cộng lại, thì công suất xuyên nhiễu trên một kênh là gấp sáu lần
19

việc tính toán ở trên. Tính đến điều này thì tỷ lệ khoảng cách tái sử
dụng tăng đến 3.5. Tỷ số này chỉ ra rằng các trạm cơ sở xuyên nhiễu
sử dụng đồng kênh phải xa xấp xỉ 3.5 lần từ máy di động so với trạm
cơ sở phục vụ.
Trong những điều kiện trường hợp xấu nhất khi máy di động có
vị trí tại biên vùng phục vụ của tế bào, đó là khoảng cách từ trạm cơ
sở mong muốn. Sử dụng tỷ số cách ly 3.5, điều này chỉ ra rằng các tế
bào sử dụng cùng kênh phải ít nhất là 3.5 R từ tế bào phục vụ máy di
động. Các tế bào màu xám trong hình 2.1 là những ví dụ về sự chia
tách tế bào sao cho một kênh có thể sử dụng lại và đạt được một tỷ số
S/I mục tiêu là 16dB.
2.3. Sắp xếp tế bào và các mẫu cấp phát kênh
Việc tiếp cận hệ thống tế bào thông th-ờng đối với quy hoạch
kênh giả thiết là một lưới hình lục giác có thể quan sát như tập hợp
các nhóm tế bào trong đó mỗi nhóm bao gồm số lượng tế bào cho
trước và với các kênh có thể được sử dụng chỉ một lần. Nhóm tế bào
tạo ra các mẫu lát. Đối với mẫu lặp lại này, một số kích cỡ nhóm nhất
định được xác định như sau:



  






ở đây I và j là các số nguyên không âm với . Các kết hợp
được phép của I và j mang lại các giá trị M = 1, 3, 4, 7, 12 Hình 2.1
có kích thước nhóm sử dụng lại bằng 7, lưới lục giác có thể tiếp tục vô
hạn làm bằng lặp lại nhóm này và việc cấp phát kênh của nó.
Bằng việc xem xét hình dạng các kích th-ớc nhóm khác nhau,
khoảng cách giữa các tế bào D có thể có mối quan hệ với bán kính tế
bào R và kích thước nhóm M như sau:


 






20

Việc lựa chọn kích thước nhóm sử dụng lại có thể được xác
định bởi tỷ số S/I yêu cầu. Từ mục 2.2 và các giả thiết của chúng, tỷ
số S/I nhận đ2ợc bởi tỷ số mức tín hiệu mong muốn trên tổng các mức

tín hiệu xuyên nhiễu, lần lượt được xác định bởi các giá trị tổn thất
đường truyền đến trạm cơ sở tế bào phục vụ và các trạm cơ sở xuyên
nhiễu. Với tất cả các điều kiện khác là như nhau, các giá trị tổn thất
đường truyền là tỷ lệ với khoảng cách và số mũ tổn thất đường truyền
n. Đối với một máy di động ở mép tế bào của vùng phục vụ (tại
khoảng cách R từ trạm cơ sở phục vụ), tỷ số tín hiệu trên xuyên nhiễu
kí hiệu là , được viết dưới dạng:











Giả thiết rằng tất cả các xuyên nhiễu NI là cùng khoảng cách
từ MS (D1 = D2 = = Di = D), thì SIR có thể được viết theo kích
thước của nhóm:








Hay:










Đối với kích thước nhóm là 7, và 6 xuyên nhiễu (

 và
số mũ tổn hao là 4.38, tỷ số S/I nhận được từ (2.7) là 21.2 dB.
Một chỉ tiêu dung lượng mạng C được cho bởi:









Với NS là số kênh khả dụng trong mạng. Thay thế (2.9) vào
(2.8) nhận được:
21
























Một ví dụ cấp phát kênh băng tần số con được chỉ ra trong
hình 2.4. Trong trường hợp này, mỗi tế bào được phân chia thành 3
sector 1200, đây là một cấu hình tiêu biểu trong các hệ thống tế bào.
áp dụng kiểu cấp phát kênh này cho trường hợp 21 kênh với độ rộng
băng 6 MHz sẽ được phân chia thành 7 nhóm, mỗi nhóm 3 kênh và
một trong ba được cấp phát cho mỗi sector ,  hay . Kết quả là 6
MHz phổ tần khả dụng cho các máy di động trong vùng phục vụ của
sector đó. Độ rộng băng 6 MHz có thể phân chia thêm nữa để phù hợp
với công nghệ được triển khai.
Việc cấp phát kênh này được giả thiết phân bố địa lý của lưu
lượng là đồng đều. Tuy nhiên, phân bố thường là không đồng đều.

Hơn nữa, mục tiêu tiếp thị cho việc ứng dụng và phục vụ trong mạng
có lẽ thiên về kinh doanh hay hướng về vùng dân cư sẽ tạo ra phân bố
địa lý lưu lượng không đồng đều. Trong trường hợp này, có thể mong
muốn được sự chỉ định nhiều kênh hơn trên một vài sector và ít hơn
trên các sector khác để phù hợp với các tải khác nhau.
22


Hình 2.4. Sắp xếp băng tần số trong nhóm 7 tế bào và 3 sector
trên một tế bào
Việc sử dụng các mẫu nhóm tế bào để phân phối các kênh
trong hệ thống vô tuyến như miêu tả ở đây là cách tiếp cận khá thô sơ
song điều đó là hữu ích cho sự hiểu biết các cơ chế xuyên nhiễu phức
tạp. Điều đó là không có nhiều giá trị đối với việc cấp phát kênh trong
hệ thống thực, mặc dù nó vẫn được sử dụng trong phương pháp này.
Các hạn chế lớn nhất của việc tiếp cận này là:
- Kích thước nhóm nguyên không cung cấp đầy đủ tính linh
hoạt cấp phát kênh để tạo ra quy hoạch kênh có hiệu quả cho phạm vi
rộng của các tỷ số S/I. Sự tiến bộ của công nghệ mà có thể hạ thấp
mục tiêu S/I đi 3 hay 6 dB có thể tăng dung lượng đáng kể, nhưng từ
(2.8), ta thấy sự tiến bộ như vậy không thể cho phép kích thước nhóm
nhỏ hơn (chẳng hạn, từ 7 xuống 4).
- Các tế bào đồng đều không phản ánh hình dáng kỳ cục, đôi
khi các vùng phục vụ gián đoạn và các vùng xuyên nhiễu của các tế
bào thực.
23

- Việc bố trí hình lưới lục giác đều của các tế bào có thể hiếm
khi đạt được dù chỉ là gần đúng. Hơn nữa, việc lựa chọn các vị trí trạm
cơ sở bị hạn chế bởi cấu trúc háp vô tuyến hiện có.

Do những hạn chế này, việc tiếp cận nhóm tế bào để cấp phát
kênh không phải là một sự lựa chọn tốt cho việc cấp phát các kênh
trong hệ thống tế bào. Thay vào đó, tiếp cận tối ưu có thể sử dụng mà
không đòi hỏi cấp phát kênh đồng đều hay cấp phát kênh theo nhóm.


24

Chương 3. Tối ưu hóa cấp phát kênh tĩnh

Việc tối ưu hoá cấp phát kênh cố định trong mạng di động tế bào là bài
toán tối ưu chất lượng mạng. Đối với mạng bất kỳ có kích thước hợp lý chỉ có
thể nhận được các giải pháp gồm tối ưu bằng các thuật toán kinh nghiệm.Vấn
đề cấp phát một tập kênh cho mỗi tế bào sao cho hiệu quả nhất về phổ được
gọi là vấn đề cấp phát kênh. Cấp phát kênh là điều rất quan trọng trong quy
hoạch mạng di động tế bào bởi việc cấp phát kênh hiệu quả sẽ tạo ra hiệu quả
sử dụng phổ tần có sẵn. Tuy nhiên, vấn đề cấp phát kênh lại thuộc vào lớp các
bài toán tối ưu tổ hợp. Nói chung, đối với các mạng di động có kích thước
hợp lý việc giải quyết bài toán này là điều rất khó khăn. Trong chương này sẽ
tìm hiểu về các phương pháp tối ưu hóa cấp phát kênh tĩnh trong mạng di
động tế bào dựa vào ba chiến lược cấp phát kênh và hai phương pháp sắp xếp
thứ tự của tế bào.
3.1. Xây dựng bài toán
Ba điều kiện bắt buộc thường xuyên được lưu ý trong vấn đề cấp
phát kênh:
- Hạn chế xuyên nhiễu đồng kênh: một kênh được cấp phát cho
một tế bào không thể tái sử dụng trong các tế bào lân cận. Những tế
bào này nằm trong phạm vi xuyên nhiễu đồng kênh.
- Hạn chế xuyên nhiễu kênh lân cận: các kênh được cấp phát cho

các tế bào lân cận phải duy trì một sự phân cách cực tiểu là  kênh.
- Hạn chế xuyên nhiễu kênh cùng tế bào: các kênh được cấp phát
cho cùng một tế bào phải duy trì sự phân cách cực tiểu là s kênh.

Với hệ thống tế bào N tế bào và ma trận tương thích kênh N x N,


 có thể được sử dụng để biểu diễn 3 loại ràng buộc, 

biểu
thị của sự phân cách kênh tối thiểu giữa các kênh được cấp phát cho tế
bào i và tế bào j. Rất dễ nhận thấy rằng 

 có nghĩa là một kênh
được cấp phát cho tế bào i có thể được tái sử dụng tại tế bào j. 


có nghĩa là hạn chế xuyên nhiễu kênh cùng trạm là s kênh. 

 có
nghĩa là hạn chế xuyên nhiễu kênh lân cận bằng a kênh. Trên thực tế,
ma trận tương thích thường nhận được bằng việc đo hệ thống thực
không có một cấu trúc lục giác đều lý tưởng.