Kỹ thuật ấn định kênh động DCA

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

BÁO CÁO TỔNG KẾT
ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN

NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT ẤN ĐỊNH KÊNH ĐỘNG
TRONG HỆ THỐNG THÔNG TINN DI ĐỘNG TẾ BÀO
Mã số đề tài: 240

Thuộc nhóm ngành khoa học: Điện - Điện tử

Hà Nội, 03/2016


TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

BÁO CÁO TỔNG KẾT
ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN

NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT ẤN ĐỊNH KÊNH ĐỘNG
TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG TẾ BÀO
Mã số đề tài: 240
Thuộc nhóm ngành khoa học: Điện – Điện Tử
Sinh viên thực hiện: Trần Hữu Hoài Anh

Nam, Nữ: Nam

Dân tộc: Kinh
Lớp, khoa: Kỹ Thuật Viễn Thông A

Khoa Điện – Điện Tử

Năm thứ: 4

Số năm đào tạo: 4

Ngành học: Kỹ Thuật Viễn Thông
Người hướng dẫn: TS. Trịnh Quang Khải

Hà Nội, 03/2016


MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
3


DANH MỤC NHỮNG TỪ VIẾT TẮT
AMPS
BS
CDMA
CIR
CNIR
DCA
FCA
FDMA
GSM
SMS

TDMA
OFDMA

Advanced Mobile Phone System

Hệ thống điện tử viễn
thông
Base Station
Trạm cơ sở
Code Division Multiple Access
Đa truy nhập phân chia
theo mã
Channel impulse response
Đáp ứng xung kênh
Carrier to interference plus noise ratio
Tỷ số sóng mang trên
nhiễu và giao thoa
Dynamic Chanel Allocation
Kỹ thuật ấn định kênh
động
Fixed Channel Assignment
Kỹ thuật ấn định kênh
cố định
Frequency Division Multiple Access
Công nghệ đa truy
nhập phân chia theo
tần số
Global System for Mobile
Hệ thống thông
Communications

tin di động toàn cầu
Short Message Services
Dịch vụ tin nhắn ngắn
Time Division Multiple Access
Công nghệ đa truy
nhập phân chia theo
thời gian
Orthogonal Frequency Division Multiple Đa truy nhập phân
Access
chia theo tần số trực giao

4


TRƯỜNG ĐẠI HỌC GTVT

THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI
1. Thông tin chung:
- Tên đề tài: “Nghiên Cứu Kỹ Thuật Ấn Định Kênh Động Trong Hệ Thống Thông Tin Di
Động Tế Bào”
- Sinh viên thực hiện: Trần Hữu Hoài Anh
Cao Văn Quý
Phạm Văn Đồng
Ngô Hùng Sơn
Dương Văn Tiến
- Lớp: Kỹ Thuật Viễn Thông A k53

Khoa: Điện – Điện Tử

- Năm thứ: 4

Số năm đào tạo: 4

- Người hướng dẫn: TS. Trịnh Quang Khải

2. Mục tiêu đề tài:
- Hệ thống thông tin di động tế bào
- Thuật toán ấn định kênh động DCA
- Mô phỏng hiệu năng hệ thống ấn định kênh động
3. Tính mới và sáng tạo:
 Kỹ thuật ấn định kênh động là một kỹ thuật rất quan trọng trong hệ thống thông
tin di động tế bào giúp phân bổ hợp lý tài nguyên tần số mạng
4. Kết quả nghiên cứu:

5


 Thuật toán ấn định kênh động DCA trong hệ thống thông tin di động tế bào
5. Đóng góp về mặt kinh tế - xã hội, giáo dục và đào tạo, an ninh, quốc phòng và
khả năng áp dụng của đề tài:
 Đề tài tập trung nghiên cứu vào công nghệ mới
6. Công bố khoa học của sinh viên từ kết quả nghiên cứu của đề tài (ghi rõ tên tạp
chí nếu có) hoặc nhận xét, đánh giá của cơ sở đã áp dụng các kết quả nghiên cứu (nếu
có):

Ngày 25 tháng 3 năm 2016
Sinh viên chịu trách nhiệm chính
thực hiện đề tài

TRẦN HỮU HOÀI ANH

Nhận xét của người hướng dẫn về những đóng góp khoa học của sinh viên thực
hiện đề tài :

Ngày 25 tháng 3 năm 2016
Xác nhận của trường đại học

Người hướng dẫn

(ký tên và đóng dấu)
6


TS. TRỊNH QUANG KHẢIđề tài
TRƯỜNG ĐẠI HỌC GTVT

THÔNG TIN VỀ SINH VIÊN
CHỊU TRÁCH NHIỆM CHÍNH THỰC HIỆN ĐỀ TÀI
I. SƠ LƯỢC VỀ SINH VIÊN:

Ảnh 4x6

Họ và tên: Trần Hữu Hoài Anh
Sinh ngày: 08 tháng 10 năm 1994
Nơi sinh: Xã Vũ Bản – Huyện Bình Lục – Tỉnh Hà Nam
Lớp: Kỹ Thuật Viễn Thông A

Khóa: 53

Khoa: Điện – Điện Tử
Địa chỉ liên hệ: 99 Nguyễn Chí Thanh – Đống Đa – Hà Nội

Điện thoại: 01696173262

Email: Hoaianhutc1@gmailcom

II. QUÁ TRÌNH HỌC TẬP (kê khai thành tích của sinh viên từ năm thứ 1 đến năm
đang học):
* Năm thứ 1:
Ngành học: Kỹ Thuật Viễn Thông

Khoa: Điện – Điện Tử

Kết quả xếp loại học tập: Khá
* Năm thứ 2:
Ngành học: Kỹ Thuật Viễn Thông

Khoa: Điện – Điện Tử

Kết quả xếp loại học tập: Khá
* Năm thứ 3:
Ngành học: Kỹ Thuật Viễn Thông

Khoa: Điện – Điện Tử

Kết quả xếp loại học tập: Khá
* Năm thứ 4 : (Kỳ 1)
Ngành học: Kỹ Thuật Viễn Thông

Khoa: Điện – Điện Tử

Kết quả xếp loại học tập: Khá

Ngày 25 tháng 3 năm 2016
Xác nhận của trường đại học
(ký tên và đóng dấu)

Sinh viên chịu trách nhiệm chính
thực hiện đề tài
7


TRẦN HỮU HOÀI ANH
PHẦN MỞ ĐẦU
1 Tính cấp thiết của đề tài
Hiện nay trên thế giới cũng như trong nước, mạng di động tế bào đã và đang phát
triển mạnh mẽ, nhất là mạng di động tế bào thế hệ mới 3G và 4G. Đồng thời các nước
cũng đang đầu tư nghiên cứu phát triển mạng di động thế hệ thứ 5 (5G) . Cùng với
đó nhu cầu các dịch vụ vô tuyến của mạng tế bào đang tăng với tốc độ rất cao trong
mỗi năm và tại những vùng đô thị lớn nhu cầu này đã vượt quá dung lượng khả dụng.
Nhiều kỹ thuật khác nhau được sử dụng để tăng dung lượng hệ thống. Các kỹ thuật
được sử dụng bao gồm chia nhỏ tế bào, chỉ định phổ tần mới, các phương pháp đa truy
nhập mới (TDMA, CDMA) và gán kênh động. Đối với hệ thống tế bào với phổ tần cố
định được gán và sử dụng công nghệ ghép kênh cụ thể, dung lượng của một hệ thống
phụ thuộc vào hiệu quả của chiến lược gán kênh đã sử dụng. Mục đích của bài toán gán
kênh chủ yếu là để khai thác khả năng tái sử dụng lại kênh dưới điều kiện ràng buộc
nhiễu, như nhiễu đồng kênh, nhiễu kênh liền kề, nhiễu kênh tại cùng chỗ sử dụng.
Ngày nay các hệ thống tế bào chủ yếu sử dụng gán kênh cố định FCA vì hiệu quả,chi
phí và chất lượng dịch vụ có thể dự đoán trước. Tuy nhiên, nó không thể phù hợp đối
với tình huống thực tế của mạng mà có tải tế bào biến đổi bất thường và thay đổi từ tế
bào sang tế bào khác. Phương pháp ấn định kênh động DCA cho phép gán, tái gán lại
kênh và do đó linh hoạt hơn. Chính vì vậy, kỹ thuật ấn định kênh động là vấn đề rất
được quan tâm đối với các mạng thông tin di động tế bào. Ở nước ta hiện nay, cùng với

sự phát triển mạnh mẽ của mạng viễn thông, mạng thông tin di động tế bào đã trở thành
một phần cơ sở hạ tầng thông tin không thể thiếu được.
Từ những lý do trên nhóm chúng em đã lựa chọn đề tài “Nghiên cứu kỹ thuật ấn
định kênh động DCA trong hệ thống thông tin di động tế bào”
2 Mục tiêu đề tài
- Hệ thống thông tin di động tế bào
- Thuật toán ấn định kênh động DCA
- Mô phỏng hiệu năng hệ thống ấn định kênh động
3 Về phương pháp nghiên cứu
8


-

-

Tập hợp lý thuyết:
• Nghiên cứu từ các luận văn, đồ án, sách tham khảo, trang web đã được
công bố.
• Từ các tài liệu của các tổ chức tiêu chuẩn.
Đánh giá khả năng ứng dụng.

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Các kỹ thuật ấn định kênh trong hệ thống thông tin di động tế bào trong đó tập trung
vào kỹ thuật ấn định kênh động DCA và mô phỏng, đánh giá hệ thống ấn định kênh
động DCA.
5 Kết cấu của đề tài
Ngoài phần mở đầu, kết luận, tài liệu tham khảo và phụ lục, nội dụng đề tài được
trình bày trong 3 chương:
Chương 1. Tổng quan hệ thống thông tin di động tế bào

Chương 2. Kỹ thuật ấn định kênh động trong hệ thống thông tin di động tế bào
Chương 3. Mô phỏng và đánh giá hiệu năng của hệ thống ấn định kênh động

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG TẾ BÀO

9


Chương này trình bày tổng quan về hệ thống thông tin di động tế bào, thông tin đặc biệt
là các vấn đề gán kênh, tái sử dụng kênh, mượn khoá kênh đánh giá hiệu suất hoạt
động của các thuật toán gán kênh, mượn, khoá kênh.
1

Tổng quan hệ thống thông tin di động tế bào
Mạng thông tin di động tế bào đã trải qua nhiều thế hệ: 1G, 2-2.5G, 3G, 4G và hiện

nay đang nghiên cứu 5G . Hình 1.1 cho thấy sự tiến hóa của các thế hệ đều nhằm tăng
tốc độ dữ liệu, tăng khả năng di động và khả năng dịch vụ.

Hình 1. 1 Sự phát triển qua các thế hệ của mạng di động tế bào
1

Hệ thống thông tin di động thế hệ 1(1G)
Thế hệ 1G là công nghệ điện thoại không dây thế hệ thứ nhất. Đặc điểm của 1G là

chỉ có dịch vụ thoại và sử dụng tín hiệu tương tự (thoại được điều chế và truyền với kỹ
thuật tương tự) với tốc độ 14,4 kbps và sử dụng công nghệ đa truy nhập FDMA.
Những hạn chế của hệ thống thông tin di động thế hệ 1.
-

Dung lượng nhỏ, phân bố tần số hạn chế.

-

Chất lượng thấp và vùng phủ sóng hẹp.

-

Không đảm bảo tính bí mật của các cuộc gọi.

-

Chi phí thiết bị di động và cơ sở hạ tầng cao.

-

Nhiễu xảy ra khi máy di động chuyển dịch trong môi trường fading đa tia.
10


Hệ thống thông tin di động thế hệ 2( 2G )

2

Thế hệ 2G là công nghệ điện thoại không dây thế hệ 2. Đặc trưng của 2G là nó cải tạo
chuẩn 1G với thoại được truyền số, dịch vụ nhắn tin SMS và tốc độ truyền là 144kbps.
Chuẩn 2G phân làm 2 loại dựa vào phương pháp đa truy cập kênh:
-

Đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA phục vụ các cuộc gọi theo các khe

thời gian khác nhau. Tiêu biểu là chuẩn GSM. Trong hệ thống TDMA phổ tần
số quy định cho liên lạc di động được chia thành các dải tần liên lạc, mỗi dải tần
liên lạc này được dùng chung cho N kênh liên lạc, mỗi kênh liên lạc là một khe
thời gian trong chu kỳ một khung. Tin tức được tổ chức dưới dạng gói mỗi gói
có bit chỉ thị đầu gói, chỉ thị cuối gói và bit đồng bộ và các bit dữ liệu. Không
như hệ thống FDMA hệ thống TDMA truyền dẫn dữ liệu không liên tục và chỉ
sử dụng cho dữ liệu số và điêu chế số.

-

Đa truy nhập phân chia theo mã CDMA. Tiêu biểu là chuẩn IS-95. Đối với hệ
thống CDMA tất cả người dùng sẽ sử dụng cùng lúc một băng tần. Tín hiệu
truyền đi sẽ chiếm toàn bộ băng tần của hệ thống. Tuy nhiên các tín hiệu của
mỗi người dùng được phân biệt với nhau bởi các chuỗi mã. Thông tin di động
CDMA sử dụng kỹ thuật trải phổ cho nên nhiều người dùng có thể chiếm cùng
kênh vô tuyến đồng thời tiến hành các cuộc gọi mà không sợ gây nhiễu lẫn
nhau. Kênh vô tuyến CDMA được dùng lại mỗi cell trong toàn bộ mạng và
những kênh này cũng được phân biệt nhau nhờ mã trải phổ giả ngẫu nhiên PN.

3

Hệ thống thông tin di động thế hệ 3 ( 3G )
Thế hệ thứ 3 của viễn thông di động được biết như là họ chuẩn IMT-2000. 3G thể

hiện phạm vi dịch vụ rộng rãi: voice/video/data (truyền hình IP, video theo nhu cầu, hội
thảo trực tuyến, dịch vụ y tế từ xa,...), tốc độ cao từ 2M-5Mbps/348Kbps trong trường
hợp di động tốc độ thấp/cao, khối mã hóa và chức năng xác thực tốt hơn.
Các tiêu chí chung để xây dựng hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3.
 Sử dụng dải tần quy định quốc tế 2 GHz như sau:
- Đường lên: 1885- 2025 MHz

- Đường xuống: 2110- 2200 MHz
 Là hệ thống thông tin di động toàn cầu cho các loại hình thống tin vô tuyến:
- Tích hợp các mạng thông tin hữu tuyến và vô tuyến.
- Tương tác với mọi loại dịch vụ viễn thông.
11


 Sử dụng các môi trường khai thác khác nhau trong công sở, ngoài đường trên
xe, vệ tinh.
 Có thể hỗ trợ các dịch vụ như:
- Môi trường thông tin nhà ảo trên cơ sở mạng thông minh di động cá
-

nhân và chuyển mạng toàn cầu.
Đảm bảo các dịch vụ đa phương tiện đồng thời cho thoại số liệu chuyển

mạch kênh và số liệu chuyển mạch gói.
Hệ thống thông tin di động thế hệ 4 (4G)

4

Thế hệ này có họ chuẩn là IMT-A (IMT-A/4G). IMT-A/4G mang lại khả năng giá trị
gia tăng hơn 3G và thể hiện một vài khác nhau cơ bản. 4G là hệ thống của các hệ thống,
mạng của các mạng mà tích hợp hoàn toàn dựa trên IP”. Nếu 3G sử dụng cả 2 phương
pháp truyền thông chuyển mạch gói và chuyển mạch kênh để truyền dữ liệu thì 4G là
công nghệ chỉ dựa trên chuyển mạch gói. 4G cũng thể hiện khả năng hội tụ và tích hợp
các mạng truy nhập không thuần nhất, hội tụ đầu cuối người sử dụng. Kiểu hội tụ thứ
nhất qui về khả năng truy cập mạng 4G qua vô số các mạng vô tuyến khác nhau như
DAB/DVB, GSM, IMT-2000, WLAN, kết nối khoảng cách ngắn với Bluetooth, IR,
UWB, xDSL…; Kiểu hội tụ thứ 2 (hội tụ đầu cuối) tiến tới ý tưởng đầu cuối thông

minh, cho phép kết nối mạng 4G (bằng cách chọn mạng truy cập phù hợp) mọi nơi, mọi
lúc và cho phép truyền và nhận mọi kiểu nội dung.
Các mục tiêu mà 4G hướng đến:
-

Băng thông linh hoạt 5 MHz đến 20 MHz có thể lên đến 40 MHz.
Tốc độ được quy định bởi ITU là 100 Mbps khi di chuyển tốc độ cao và 1 Gbps

-

đối với thuê bao đứng yên so với trạm.
Tốc độ dữ liệu ít nhất là 100 Mbps giữa bất kỳ hai điểm nào.
Hiệu suất phổ đường truyền là 15bit/s/Hz ở đường xuống và 6.75 bit/s/Hz ở
đường lên có nghĩa là 1000 Mbps ở đường xuống và có thể nhỏ hơn băng thông

2

-

67 MHz.
Hiệu suất sử dụng phổ hệ thống lên đến 3 bit/s/Hz/cell ở đường xuống và 2.25

-

bit/s/Hz/cell cho việc sử dụng trong nhà.
Chuyển giao liền (Smooth handoff) qua các mạng hỗn hợp.
Kết nối liền và chuyển giao toàn cầu qua đa mạng.
Chất lượng cao cho các dịch vụ đa phương tiện như âm thanh thời gian thực,tốc

-

độ dữ liệu cao, video HDTV, TV di động…
Tương thích với các chuẩn không dây đang tồn tại.
Tất cả là IP mạng chuyển mạch gói không còn chuyển mạch kênh nữa.

Mô hình mạng di động tế bào
12


1.2.1 Khái niệm tế bào
Khái niệm tế bào xuất phát từ các hệ thống mạng của Bell theo chuẩn AMPS , đó là
một kiến trúc mạng được tổ hợp từ các tế bào hình lục giác ( Hình 1.2).

Hình 1. 2 Mạng di động tế bào
Trong hệ thống này, toàn bộ khu vực dịch vụ được chia thành nhiều khu vực nhỏ
được gọi là các tế bào. Một trạm gốc nằm ở trung tâm của từng tế bào phân bổ một số
kênh lưu lượng cho thiết bị đầu cuối trong tế bào khi họ bắt đầu các cuộc gọi. Một trong
những tính năng phổ biến nhất của hệ thống tế bào này là kênh lưu lượng có thể đồng
thời được phân bổ trong các tế bào khác nhau nếu nó đủ khoảng cách. Nếu các kênh
tương tự được phân bố trong các tế bào gần hơn, mỗi tế bào đồng kênh can thiệp vào
nhau và làm giảm chất lượng truyền dẫn. Tuy nhiên, nếu các tế bào với các kênh có
cùng khoảng cách đến các tế bào khác mà nhiễu được giảm bởi khoảng cách giữa các tế
bào; chất lượng truyền dẫn là không bao giờ bị hỏng bởi nhiễu như vậy, và các tài
nguyên vô tuyến cho toàn bộ hệ thống có thể sử dụng hiệu quả.
Trong hình 1.2, bốn trạm gốc là R0,R1,R2 và R3 và bốn người dùng là T0,T1,T2 và T3.
Ở đây, nó được giả định rằng người dùng Ti được kết nối đến trạm gốc Ri, và cả 4
13


người dùng được phân bổ cùng kênh lưu thông. Trên giả định này, chúng ta có thể lấy

được tỷ số công suất sóng mang trên tạp âm và nhiễu (CNIR) ( C/(N+I))Rcni cho người
dùng To như sau :
(1.1)
Ở đây :
α một số hằng số suy hao đường truyền
A là hệ số truyền
Pi là công suất đường truyền của người sử dụng Ti
di là khoảng cách giữa người dùng Ti và trạm cơ sở Ro.
Ngoài ra là sự biến dạng gây ra bởi shadowing giữa Ti và Ro, giá trị của nó được biểu
thị bằng định mức trong (1.1).
Từ (1.1) chúng ta có thể thấy rằng khoảng cách xa hơn của d1,d2,d3 kết quả trong C/
(N+I) tỷ lệ cao hơn, đó là tương đương với một chất lượng đường truyền cao hơn. Vì
vậy, để đạt được một C/(N+I) tỷ lệ thích hợp cho sơ bộ chất lượng dịch vụ, một số thuật
toán phân kênh đang được sử dụng trong các hệ thống hiện tại.
Mục tiêu của mạng di động tế bào là cung cấp dịch vụ có khả năng:
-

Thực hiện phiên liên lạc với số lượng lớn.

-

Sử dụng hiệu quả kênh truyền.

-

Tính tương thích cao.

-

Phục vụ trên một vùng rộng lớn.

-

Thích ứng với mật độ lưu lượng cao.

-

Phục vụ cho các phương tiện giao thông hoặc cốđịnh.

-

Cung cấp các dịch vụ truyền dữ liệu, âm thanh, hình ảnh, internet...

-

Cung cấp các dịch vụ giá trị gia tăng với chất lượng dịch vụ tốt.

Để hệ thống tế bào có các khả năng trên trong điều kiện tài nguyên hạn chế, trong mạng
di động tế bào sử dụng khả năng tái sử dụng kênh vô tuyến và thực hiện phân chia thành
tập tế bào.
Tái sử dụng kênh là việc sử dụng cùng kênh đó ở những vùng khác nhau mà khoảng
cách vừa đủ để nhiễu gây ra không ảnh hưởng. Có 2 lý do của việc tái sử dụng kênh:
-

Giảm giá thành của việc thiết lập một máy thu phát công suất lớn có
vùng phủ sóng rộng bằng việc lắp đặt các máy thu phát có công suất
nhỏ hơn tại các địa điểm khác nhau.

-

Gia tăng số lượng cuộc gọi được thực hiện đồng thời trên cùng phổ tần
14


số mà đã cấp cho mạng.
Phân chia tế bào là việc phân hoạch một vùng địa lý thành các tế bào, đây là điểm
căn bản tạo ra khả năng cùng một mạng có thể phục vụ các yêu cầu kênh khác nhau. Tế
bào lớn phục vụ vùng có mật độ cuộc gọi thấp hơn và các tế bào nhỏ phục vụ các vùng
có mật độ cuộc gọi cao.
2

Kênh, cấp phát kênh và tái sử dụng kênh

1.2.2.1 Kênh truyền thông
Kênh truyền thông trong mạng di động tế bào, có thể sử dụng các phương pháp truy
cập mạng khác nhau hoặc kết hợp các phương pháp truy cập mạng với nhau (Hình 1.3).
Với hệ thống 1G: Phổ tần số được chia thành tập các kênh vô tuyến riêng biệt (FD), tập
các kênh này có thể được sử dụng một cách đồng thời với mức tín hiệu thu là chấp
nhận được
Trong hệ thống 2G: Kênh truyền thông sử dụng là các khe phân chia theo thời gian
(TD), hoặc phân chia theo mã (CD) được sử dụng.
Trong hệ thống 3G: Kênh sử dụng là các mã OVSF được gán cho mỗi cuộc gọi .
Trong hệ thống 4G: Sử dụng kết hợp cả phân chia phổ thành các sóng mang thành phần
với phân chia mỗi phổ sóng mang thành phần đó theo thời gian (OFDMA).
Yếu tố chính để xác định các kênh di động với chất lượng dịch vụ nhất định có thể
sử dụng được chính là mức tín hiệu điện thu được trong mỗi kênh đó. Trong đề tài
này, tất cả các kênh sử dụng các phương pháp truy cập khác nhau trong các thế hệ khác
nhau được gọi với một tên chung là kênh truyền thông hay kênh.

Hình 1. 3 Các phương pháp đa truy cập kênh cơ bản với N người sử dụng di động

15


1.2.2.2 Tái sử dụng kênh
Khác với cách thức quảng bá truyền thống, thay vì bao phủ một vùng rộng lớn chỉ bằng
một máy phát công suất cao, mạng tế bào cung cấp vùng phủ sóng bằng cách sử dụng
nhiều máy phát công suất thấp hơn, mỗi máy phát được thiết kế ñể phục vụ chỉ trong
một vùng nhỏ có bán kính vài trăm mét hoặc 3-5 km. Thông qua việc chia tách khu vực
phủ sóng thành nhiều tế bào nhỏ, các kênh có tần số giống nhau ở các tế bào khác
nhau trong phạm vi vùng phục vụ có thể được tái sử dụng. Có thể thấy rằng, một máy
phát công suất lớn có thể phát tối đa 15 kênh trong phạm vi một thành phố, như vậy tối
đa chỉ có 15 thuê bao được phục vụ tại cùng một thời điểm, nếu thành phố được chia
thành 100 tế bào các kênh được tái sử dụng trong mỗi tế bào thì thay vì chỉ có 1 cuộc
gọi đồng thời thì sẽ là 1.500 cuộc gọi. Tuy nhiên, nếu cùng tần số được sử dụng trong 2
tế bào khác nhau nhưng gần nhau về mặt địa lý thì sẽ gây ra nhiễu, dữ liệu truyền đi sẽ
bị biến đổi không còn nguyên dạng, hiện tượng này gọi là xuyên nhiễu đồng kênh, nó
có thể làm giảm tỉ số tín hiệu trên tạp âm tới một mức mà tín hiệu không còn phân biệt
được nữa do tạp âm khi mà người sử dụng khác cũng đang sử dụng cùng tần số ở tế
bào kế tiếp.
Phân phối các kênh trong mạng tế bào phụ thuộc vào rất nhiều tham số, chẳng hạn
như kiến trúc hình học của tế bào, các đặc tính truyền tín hiệu và nhiễu. Tập hợp các
kênh được cấp phát cố định cho một ô. Cùng tập hợp kênh này được sử dụng lại trong tế
bào khác với khoảng cách đủ để nhiễu tín hiệu gây ra là chấp nhận được. Các tế bào mà
sử dụng cùng tập hợp kênh được gọi là các tế bào đồng kênh và khoảng cách giữa chúng
gọi là khoảng cách tái sử dụng đồng kênh. Tổng số kênh tần số cấp phát cho mạng được
phân chia thành các tập hợp và mỗi tập được gán cho một tế bào bên trong một cụm các
ô. Một cụm các tế bào hình thành một nhóm Compact. Nhóm Compact được tái sử dụng
tuỳ thuộc vào khoảng cách tái sử dụng đồng kênh. Lựa chọn số tế bào cho mỗi cụm bị
chi phối bởi việc xem xét nhiễu tế bào đồng kênh.
Do đặc thù truyền dẫn vô tuyến khác hẳn so với truyền dẫn hữu tuyến, nguồn tài

nguyên là hữu hạn, việc sử dụng các kênh như thế nào có ý nghĩa quan trọng quyết
định tới dung lượng, chất lượng, cũng như tốc độ truyền dữ liệu của mạng. Đã có nhiều
thuật toán cấp phát phân phối kênh trong mạng tế bào được nghiên cứu, đề xuất và ứng
dụng. Tuy nhiên, đây vẫn là bài toán luôn được đặt ra và được các nhà nghiên cứu khoa
học quan tâm nhằm tìm kiếm những thuật toán tối ưu nhất vì đây là bài toán dạng NP16


Hard, nên không thể khẳng định tồn tại lời giải chính xác. Chính vì vậy, việc cải tiến và
tìm một phương pháp mượn,khoá kênh và gán kênh phù hợp hơn, hiệu quả hơn rất quan
trọng.
Các thuật toán mượn, khóa kênh

3

1.3.1 Mượn, khóa kênh
Khái niêm mượn khóa kênh chỉ tới việc một tế bào có thể mượn kênh từ tế bào lân
cận của nó hoặc mượn thêm từ vùng này tới vùng khác trong tế bào. Sự mượn kênh
xảy ra khi một tế bào quá tải trong khi các tế bào lân cận có tải nhẹ hơn hoặc khi cần
thực hiện cân bằng tải trong mạng.

Hình 1. 4 Mượn kênh và khóa kênh
Từ đó tăng dung lượng kênh cho mạng dẫn đến tăng chất lượng dịch vụ cho toàn hệ
thống. Khi một tế bào thực hiện mượn một kênh từ tế bào lân cận thì kênh cho mượn
phải không ảnh hưởng nhiễu đến các kênh đang được sử dụng, chính vì vậy mà kênh
mượn của tế vào cho mượn cần phải được khóa tại các tế bào đồng kênh của tế bào đó.
Ví dụ hình 1.8 khi tế bào P mượn kênh x từ tế bào
bào

A2

và

A3

là những tế bào đồng kênh với

A1

A1

để phục vu cuộc gọi trong P, tế

sẽ không được phép dùng kênh x nữa vì

nó nằm trong phạm vi nhiễu đồng kênh của P. Từ đó kênh x trong các tế bào đồng kênh
này phải được khóa để tránh nhiễu cho tế bào P khi P đang sử dụng kênh mượn x từ
17

A1

.


1.3.2 Các thuật toán mượn, khóa kênh
-

Thuật toán mượn khóa kênh đơn giản

-

Các thuật toán mượn khóa kênh lai ghép

-

Thuật toán thử trực tiếp

-

Thuật toán cân bằng tải động mượn kênh chọn lọc

-

Thuật toán cân bằng tải động mượn kênh chọn lọc phân tán

-

Thuật toán mượn, khóa kênh thích nghi

CHƯƠNG 2: KỸ THUẬT ẤN ĐỊNH KÊNH ĐỘNG TRONG HỆ THỐNG
THÔNG TIN DI ĐỘNG TẾ BÀO
2.1. Các thuật toán gán kênh
Trong đề tài này, việc phân loại các kỹ thuật ấn định kênh trong mạng di động tế bào
được thực hiện trên cơ sở phân biệt các kênh liền kề. Có 2 kỹ thuật ấn định kênh chính
sau đây:
 Ấn định kênh cố định FCA
 Ấn định kênh động DCA

18

Hình 2. 1 Khái niệm thuật toán DCA : (a) FCA và (b) DCA
Trong ấn định kênh cố định FCA, các tế bào được thiết lập và các kênh được ấn
định cố định cho vị trí các tế bào; các tập kênh tần số này sẽ không thay đổi trừ khi cần
cấu hình lại cho một giai ñoạn mới. Các tế bào sẽ chỉ sử dụng tập kênh đã được gán.
Tuy có ưu điểm là đơn giản nhưng các kỹ thuật ấn định kênh cố định có nhược điểm là
không thích ứng được với sự thay đổi về lưu lượng và sự phân bố người dùng. Để khắc
phục nhược điểm này của FCA, người ta sử dụng các kỹ thuật gán kênh động DCA.
2.2. Kỹ thuật ấn định kênh động DCA
19


DCA (Dynamic Channel Allocation) : thuật toán ấn định kênh động - là 1 thuật toán
mà trong đó các kênh rỗi được lưu giữ tập trung tại một trung tâm (central pool). Khi có
một yêu cầu kênh từ một trạm gốc, MSC chọn kênh thích hợp mà cho hiệu quả cao nhất
có tính đến các ràng buộc về nhiễu tín hiệu. Các kênh được gán trong suốt thời gian diễn
ra cuộc gọi, sau khi cuộc gọi kết thúc, kênh được trả lại cho trung tâm hoặc tái cấp phát
cho thuê bao trong cùng ô mà đã điều khiển kênh này trước đó.
Trong DCA, các kênh rỗi được lưu giữ tập trung tại một trung tâm hoặc tại BS của
các tế bào (phân tán). Trong trường hợp DCA tập trung thì khi có một yêu cầu kênh từ
một trạm gốc, MSC chọn kênh thích hợp mà cho hiệu quả cao nhất có tính đến các ràng
buộc về nhiễu tín hiệu. Các kênh được gán trong suốt thời gian diễn ra cuộc gọi, sau
khi cuộc gọi kết thúc, kênh được trả lại cho trung tâm hoặc tái cấp phát cho thuê bao
trong cùng tế bào mà đã điều khiển kênh này trước đó. Các thuật toán cấp phát kênh
động có ưu điểm là thích ứng tốt với sự thay đổi về lưu lượng và phân bố người dùng,
nhưng có độ phức tạp thực hiện cao, và trong trường hợp tải lưu lượng lớn, hoạt động
không hiệu quả bằng FCA.
Các thuật toán gán kênh được thực hiện một cách tập trung hoặc phân tán. Trong
phương thức tập trung, kênh rỗi được cấp phát bởi thực thể điều khiển trung tâm, trong
khi ở phương thức phân tán, kênh rỗi được gán bởi trạm điều khiển của tế bào – trong
trường hợp này, thông tin về kênh rỗi ở các tế bào lân cận được lưu ở trạm điều khiển

cục bộ, và được cập nhật bằng việc trao đổi các bản tin điều khiển giữa các trạm điều
khiển cục bộ - hoặc kênh rỗi được lựa chọn tự động bởi trạm di động – bằng việc đo
tín hiệu điện thu được mà không cần sự can thiệp của thực thể điều khiển trung tâm.
2.2.1 DCA tập trung
Bằng việc điều khiển tập chung, tất cả các thông tin trong mạng về kênh thông
thường, các xung đột xuyên nhiễu, và lưu lượng được đưa tới vị trí trung tâm, tại đây
quyết định việc thực hiện ấn định kênh thông qua mạng. Nguồn tài nguyên thông tin
giữa các BS là cần thiết để mạng thông tin, cũng như việc tính toán được yêu cầu để
thực hiện các quyết định ấn định kênh. Trong trường hợp cực đoan, mỗi khi MS yêu cầu
dịch vụ (hay một mạch trong một mạch chuyển mạch - kênh). DCA tập trung phải được
tính toán lại chiến lược ấn định kênh tối ưu cho mạng tổng thể. Độ trễ được kể đến
trong việc hoàn thành nhiệm vụ này phải được thêm vào độ trễ hệ thống. Cách tiếp cận
20


này là không khả thi cho các hệ thống tế bào 2G chuyển mạch kênh. Đối với các hệ
thống tế bào chuyển mạch gói, những khó khăn tính toán là trầm trọng hơn.
Những trở ngại trong việc tính toán và thông tin của điều khiển tập trung đầy đủ có
thể giảm nhẹ đến mức có ích bằng việc chia thành các nhóm tế bào lân cận, một phương
pháp được viết đến như là DCA phân tán. Với các cách tiếp cận này, những quyết định
về việc ấn định kênh là hạn chế giữa các nhóm tế bào chứ không phải được thực hiện
trên cơ sở toàn mạng. Nhược điểm là hầu hết các mạng làm việc trong môi trường
truyền sóng không đồng nhất của vùng phục vụ và xuyên nhiễu có thể không tiếp giáp là
rất lớn. Điều này đặc biệt đúng trong hệ thống vi tế bào trong vùng đô thị nơi mà mỗi
chỗ ngoặt của góc phố có thể bắt đầu một sử chuyển giao tế bào. Trong những trường
hợp như vậy, sự xung đột xuyên nhiễu là tránh được thông qua việc ấn định kênh động
thông minh.
2.2.2. DCA không tập trung
Về bản chất điều khiển không tập trung cho phép các sector tạo nên các quyết định
cho chính bản than chúng về các kênh nào có khả năng sử dụng và kênh nào không dùng

được tại thời điểm sector phải xử lý lưu lượng đến từ một MS. Cách tiếp cận thông
thường là sử dụng phương pháp nào đó cho các sector riêng rẽ và các MS để cảm nhận
hay đo xuyên nhiễu trong các kênh khả dụng cho hệ thống. Trên cở sở của phép đo này,
một sự lựa chọn được tạo ra đối với kênh tốt nhất để sử dụng cho việc truyền dẫn.
Có vài cách tiếp cận để tìm ra mức độ xuyên nhiễu trên các kênh. Một chu kì rỗi ngắn
không truyền dẫn có thể được sắp xếp trước bởi sector phục vụ để các MS có thể phát
các tín hiệu đường xuống từ các sector BS khác bằng việc quét các kênh trong dải băng
trong suốt khoảng thời gian rỗi. Một cách tương tự, đối với các kênh đường lên, sector
BS có thể quét các kênh để xác định kênh có mức thấp nhất của công suất xuyên nhiễu.
Sector BS và MS có thể chia sẻ kết quả quét này để giúp nhau trong sự lựa chọn kênh.
Hệ thống ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM) sử dụng công nghệ biến
đổi Fourier nhanh (FFT) và khối bộ nhân để sửa chữa pha đinh chọn lọc tần số đã được
trang bị đặc tính đo tín hiệu này.
2.3. Đánh giá so sánh FCA và DCA
FCA

DCA

Hiệu quả hơn khi tải lưu lượng lớn

Hiệu quả hơn khi tải lưu lượng nhỏ
21


Không mềm dẻo trong cấp phát kênh

Mềm dẻo trong cấp phát kênh

Phản ứng nhạy cảm với thời gian và sự thay
đổi thành phần của tải

Mức độ tái sử dụng kênh không luôn luôn
là cao nhất

Tỷ suất buộc kết thúc cuộc gọi cao

Tỷ suất buộc kết thúc cuộc gọi thấp
Độ phức tạp tính toán cao

Độ phức tạp tính toán thấp
Độ trễ thiết lập cuộc gọi thấp

Độ trễ thiết lập cuộc gọi từ trung bình đến
cao

Độ phức tạp thực hiện thấp

Độ phức tạp thực hiện từ trung bình đến cao

Tải điều khiển báo hiệu từ trung bình đến
cao
Thực hiện điều khiển tập trung, không tập
Thực hiện điều khiển tập trung
trung, phân tán phụ thuộc vào thuật toán cụ
thể
Bảng 2. 1 So sánh FCA và DCA
Tải điều khiển báo hiệu thấp

2.4. Hiệu suất các thuật toán gán kênh
Ngày nay, khi số người sử dụng ngày càng tăng nhanh cùng với sự phát triển bùng

nổ của các ứng dụng, đặc biệt là các ứng dụng đa phương tiện với yêu cầu băng thông
rộng thì việc sử dụng một cách hiệu quả tài nguyên trong mạng di động tế bào có ý
nghĩa đặc biệt quan trọng cả về góc độ lý thuyết và thực tiễn. Tái sử dụng kênh tần số
là một trong các giải pháp quan trọng để nâng cao hiệu quả sử dụng tài nguyên tần số
vô tuyến điện.
Trở ngại lớn nhất cho việc tái sử dụng kênh tần số vô tuyến điện chính là nhiễu xuyên
kênh ở tế bào đồng kênh, sinh ra bởi nhiễu môi trường hoặc bởi các thiết bị di động
khác. Có nhiều giải pháp kỹ thuật để hạn chế nhiễu xuyên kênh ở tế bào đồng kênh
trong mạng di động tế bào:
1. Thiết kế tối ưu hệ thống mạng di động tế bào và các thuật toán cấp
phát kênh.
2. Sử dụng các kỹ thuật điều chế, lọc, chống nhiễu tín hiệu điện,… trong
các kết nối vô tuyến điện của các thiết bị di động.
Trong mạng di động tế bào, một số độ đo hiệu suất quan trọng có ảnh hưởng quyết
định đến chất lượng dịch vụ, ví dụ dịch vụ điện thoại, cung cấp cho các thuê bao di
động là:
1. Ở mức cuộc gọi: xác suất từ chối cuộc cuộc, xác suất rớt cuộc gọi, thời
22


gian trễ cho thiết lập cuộc gọi, thời gian trễ chuyển giao, … Thời gian
trễ thiết lập cuộc gọi hoặc thời gian trễ chuyển giao đồng nghĩa với thời
gian cấp phát kênh.
2. Ở mức tín hiệu: cường độ tín hiệu thu được, nhiễu xuyên kênh, tỷ suất
sóng mang – nhiễu trên tạp âm CNIR, …
Trong khuôn khổ đề tài, độ đo hiệu suất ở mức cuộc gọi được xác định là yếu tố
chính đánh giá hiệu quả hoạt động của các thuật toán gán kênh trong mạng di động tế
bào. Ngoài ra, một số độ đo khác được sử dụng trong quá trình phân tích, đánh giá, so
sánh và cải tiến các kỹ thuật gán kênh là:

- Số kênh cần cấp phát (lớn nhất) của các thuê bao được đáp ứng
- Số tế bào đồng kênh phải khóa (nhỏ nhất) khi thực hiện cấp phát kênh
- Tăng cường khả năng tham gia cấp phát kênh của các tế bào lân cận của tế bào có
nhu cầu cấp phát kênh
- Thứ tự ưu tiên cấp phát kênh (để làm giảm xác suất rớt cuộc gọi).

CHƯƠNG 3. MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG CỦA HỆ THỐNG ẤN
ĐỊNH KÊNH ĐỘNG
Trong chương 3 đề tài sẽ thực hiện xây dựng mô hình mô phỏng mạng di
động tế bào. Sau đó đề tài sẽ thực hiện mô phỏng thuật toán ấn định kênh động
DCA. Môi trường thực hiện mô phỏng là môi trường Matlab, phiên bản chạy trên hệ
điều hành Windows. Cuối chương đề tài sẽ thực hiện phân tích và đánh giá kết quả
mô phỏng thu được.
23


3.1 Cấu trúc mạng di động mô phỏng
Mạng di động tế bào được sử dụng trong mô phỏng sử dụng nhóm compact N=
19 tế bào hình dạng lục giác có bán kính là đơn vị, số kênh là 25 kênh/ tế bào. Các
tế bào này sẽ được xác định bởi các BS. Vị trí các trạm cơ sở được xác định bởi toạ
độ (x,y). Các thông tin mạng được cất trong ma trận baseinfo kích cỡ 19x2. Ví dụ
baseinfo(5,1) và baseinfo(5,2) tương ứng với toạ độ (x,y) của trạm cơ sở tế bào thứ
5.

Hình 3. 1 Bố cục ô
Trong trường hợp của một hệ thống di động bằng cách sử dụng thuật toán DCA,
chúng ta nên đưa vào tài khoản không chỉ có một mẫu tế bào mà còn các tế bào lân cận
vì sự can thiệp đồng kênh từ các tế bào lân cận có một ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất
của các tế bào mẫu.
Ví dụ, tế bào 5 là chịu sự can thiệp từ tế bào 1, 4, 14, 15, 16 và tế bào thứ 6. Tế bào nằm

cách xa nhau, chẳng hạn như là những cái thứ 2 hoặc thứ 3, có thể can thiệp với tế bào
5.
24


Tuy nhiên, người ta cho rằng đó can thiệp được giảm đủ bằng khoảng cách mà có thể
được bỏ qua, và chúng tôi đưa vào tài khoảng chỉ sáu tế bào lân cận tức thời trong các
mô phỏng. Mặc khác, trong trường hợp của tế bào thứ 9, nó nằm trên ranh giới của bố
trí tế bào, nó chỉ có ba tế bào bên cạnh, đó là 10, 2 và 8. Như vậy là môt tế bào ranh giới
có hiệu suất khác nhau hơn là một tế bào nằm bên trong, ví dụ tế bào 9, nó sẽ hiển thị
hiệu suất hoạt động tốt hơn so với các tế bào thứ hai, vì nó ít gây nhiễu trong các tế bào.
Do đó, việc sử dụng và hoạt động trong các tế bào ranh giới cũng như là trong một tế
bào bên trong vào tài khoản không đánh giá đầy đủ hiệu suất DCA.
Vì vậy, để tránh một vấn đề như vậy, hai giải pháp có thể được sử dụng. Một là chỉ lấy
dữ liệu từ tế bào bên trong như 1, 2, 3, 4, 5, 6 và tế bào 7 trong hình 3.1 và không bao
gồm các tế bào biên giới. Những tế bào bên trong đều phải chịu sự can thiệp từ 6 tế bào
bên ngoài và dự kiến sẽ biểu diễn hiệu quả của thuật toán DCA. Tuy nhiên, vì ranh giới
tế bào không đóng góp và dữ liệu đầu ra, chúng ta cần một số lượng tế bào lớn hơn để
xây dựng toàn bộ tế bào để có được dữ liệu tốt trung bình làm cho mô phỏng chịu gánh
nặng.
Các giải pháp khác là sử dụng một kỹ thuật tế bào và đóng gói. Hình 3.2 cho thấy một
khái niệm về kỹ thuật này.

25