Mô hình lưu lượng của các hệ thống thông tin di động tế bào CDMA

1

Bộ giáo dục và đào tạo

Bộ quốc phòng

Học viện kỹ thuật quân sự

Nguyễn thị thảo

Mô hình lưu lượng của các
hệ thống thông tin di động tế bào CDMA

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Hà nội 2006


2

Bộ giáo dục và đào tạo

Bộ quốc phòng

Học viện kỹ thuật quân sự

Nguyễn thị thảo

Mô hình lưu lượng của các
hệ thống thông tin di động tế bào CDMA

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử
Mã số: 60 52 70

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Người hướng dẫn khoa học: PGS. TS. võ kim

Hà nội 2006


3

Bộ giáo dục và đào tạo

Bộ quốc phòng

Học viện kỹ thuật quân sự

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Tên đề tài: Mô hình lưu lượng của các hệ thống thông tin di động tế bào
CDMA
Chuyên ngành:

Kỹ thuật điện tử

Mã số: 60 52 70
Ngày giao luận văn: 01/03/2006
Ngày nộp luận văn: 15/05/2006
Người thực hiện : Nguyễn Thị Thảo

Lớp: Kỹ thuật điện tử

Khoá 16

Hệ đào tạo tập trung

Cán bộ hướng dẫn
Họ và tên: Võ Kim

Cấp bậc: Đại tá

Học hàm, học vị: PGS - TS

Đơn vị: Học viện KTQS

Hà nội - 2006


4

Danh mục các chữ viết tắt
Chữ viết tắt

Tiếng Anh

Tiếng Việt

BER

Bit Error Rate

Tỷ lệ bít lỗi

BS

Base Station

Trạm gốc

CDMA

Code devision multiple access

Đa truy cập phân chia theo
mã

D-AMPS

Digital - American Mobile

Hệ thống thông tin di động

Phone System

số của Mỹ

DCA

Dynamic channel assignment

Phân kênh động

DRA

Dynamic Resource Allocation

Phân phối tài nguyên động

DS-SS

Direct Sequence spread

Trải phổ chuỗi trực tiếp

spectrum
FCA

Fixed channel assignment

Phân kênh cố định

FDMA

Frequency devision multiple

Đa truy cập phân chia theo

access

tần số

GoS

Grade of Service

Phân cấp dịch vụ

GSM

Global System For Mobile

Hệ thống thông tin di động

Telecommunication

toàn cầu

Log monment generating

Hàm tạo mômen log

LMGF

function
MS

Mobile Station

Trạm di động

PLE

Path loss exponent

Số mũ tổn hao đường
truyền

QoS

Quality of Service

Chất lượng dịch vụ

SIR

Signal to Interference Ratio

Tỉ số tín hiệu trên tạp âm

TDMA

Time devision multiple access

Đa truy cập phân chia theo
thời gian


5

Mục lục

Mở đầu

1

Chương 1. Cơ sở chung về di động tế bào ...

3

1.1. Sự phát triển của các hệ thống di động tế bào .

3

1.2. Mô hình lưu lượng của hệ thống di động tế bào ..

5

1.2.1. Các phép đo hiệu năng

6

1.2.2. Các chiến lược phân phối kênh ...

6

1.2.3. Phân tích lưu lượng của các chiến lược phân kênh .

7

1.3. Hệ thống di động tế bào CDMA ..

8

1.3.1. Thông tin trải phổ

8

1.3.2. Đa truy nhập trải phổ ...

9

1.3.3. CDMA tế bào .. 10
1.3.4. Tính toán dung lượng .. 14
1.3.5. Mô hình lưu lượng CDMA tế bào ...

16

Chương 2: Can nhiễu tế bào khác 19
2.1. Vấn đề truyền sóng và mô hình hệ thống.. 19
2.1.1. Vấn đề truyền sóng..

19

2.2.2. Mô hình hệ thống 21


6

2.2. Tính toán nhiễu . 22
2.2.1. Tổn thất đường truyền: Mạng 1 chiều . 22

2.2.2. Tổn thất đường truyền: Mạng 2 chiều . 24
2.2.3. Sự kết hợp che khuất chuẩn log ... 27
2.3. Các mô hình M/G/ Ơ . 31
2.3.1. Giới thiệu . 32
2.3.2. Xấp xỉ M/G/ Ơ . 39
2.3.3. Xác xuất chặn cải biên 41
2.3.4. Xấp xỉ xác suất chặn ...

44

2.3.5. Kết quả 48
Chương 3: Nhiễu hiệu dụng . 55
3.1. Mở đầu .. 55
3.2. Điều khiển giá trị dựa trên dải thông hiệu dụng ... 58
3.2.1. Các cuộc gọi với yêu cầu tài nguyên không đổi .. 59
3.2.2. Các cuộc gọi với yêu cầu tài nguyên thay đổi . 59
3.3. Điều khiển giá trị dựa trên nhiễu hiệu dụng . 66
3.3.1. Các kiểu tế bào đơn . 67
3.3.2. Các kiểu đa tế bào: sự khả thi của trạng thái hệ thống 72


7

3.3.3. Các mô hình đa tế bào: sự quản trị trạng thái mạng 78
3.4. Mô hình lưu lượng và các vấn đề điều khiển 89
Kết luận ... 92


8

Danh mục hình vẽ
1.1. Một mạng tế bào với 7 cell tần số

3

1.2. Bộ thu phát DS SS cơ bản ...

10

1.3 . Tính phân tập trong CDMA .

12

2.1. Sơ đồ 1 chiều tế bào chuẩn ...

20

2.2. Sơ đồ 2 chiều tế bào chuẩn ...

21

2.3. Nhiễu trong mạng 1 chiều

22

2.4. Nhiễu trong mạng 2 chiều

23

2.5. Nhiễu trong mạng 2 chiều phép xấp xỉ ..

24

2.6. Sự xác nhận kết quả phân tích ..

28

2.7. Phép xấp xỉ cell lục giác ..

28

2.8. Sự so sánh các phép xấp xỉ ...

29

2.9. Sự xấp xỉ và phép mô phỏng

29

2.10. Xác suất chặn và lưu lượng trong tế bào

51

2.11. Xác suất chặn và lưu lượng trong tế bào

51

2.12. Xác suất chặn thay đổi với PLE .

52

2.13. Xác suất chặn thay đổi với G .

52

2.14. Xác suất chặn thay đổi với PLE .

53

2.15. Xác suất chặn thay đổi với G .

53

3.1. Các loại nhiễu ...

82

3.2. Ví dụ mạng 7 tế bào .

88


1

Mở đầu
CDMa là một kỹ thuật đa truy cập khác với các kỹ thuật FDMA và
TDMA. CDMA là một kỹ thuật rất hấp dẫn với thông tin không dây nếu như
khắc phục được vấn đề điều khiển công suất và đồng bộ. Ưu điểm của nó vượt
qua các kỹ thuật đa truy cập khác bao gồm có: hiệu quả sử dụng lại phổ tần
cao hơn, tránh suy giảm đường truyền tốt, giảm sự quá tải về dung lượng, thủ

tục chuyển giao mạnh hơn Đầu năm 1978, hệ thống CDMA đã được đề
xuất cho cho thông tin di động. Tuy nhiên, nó không được quan tâm nhiều
lắm. Đến năm 1980, Qualcomm đã chứng minh được sự khả thi cuả hệ thống.
Sau đó, việc nghiên cứu CDMA đã phát triển nhanh chóng, tập trung chính
vào việc thiết kế và thực hiện phân tích kỹ thuật thu, mã hoá, điều chế và thuật
toán điều khiển công suất. Lưu lượng hệ thống di động tế bào sử dụng kỹ
thuật CDMA đã được kiểm tra chính xác. Những vấn đề quan trọng của dung
lượng lưu lượng, điều khiển cuộc gọi, phân tích chuyển giao mềm, hiệu quả
giảm quá tải và chế độ điều khiển công suất vẫn chưa được hiểu rõ. Hoạt động
thành công của hệ thống đã được nghiên cứu trong một số khu vực là khá ngạc
nhiên và có ý nghĩa to lớn.
Mô hình lưu lượng của hệ thống tế bào sử dụng lại tần số và được trực
giao hoá đang được phát triển; chúng sử dụng đa truy cập theo tần số hoặc
theo thời gian. Mạng thực hiện phân chia kênh động và tĩnh đã đang được
nghiên cứu, một vài hướng giải quyết phân tích chuyển giao đã được đặt ra.
Đa số thành công trong lĩnh vực này xuất phát từ việc nghiên cứu phân chia
lưu lượng và kết quả việc truyền dẫn.
Mục tiêu của luận văn này là góp phần hiểu sâu hơn về mô hình lưu
lượng hệ thống CDMA. Thông qua đó đưa ra quyết định để thực hiện phân
tích và thiết kế hệ thống. Luận văn này tập trung vào tính toán dung lượng cho
hệ thống thực hiện kế hoạch điều khiển nhận cuộc gọi linh hoạt.


2

Với mục đích trên, luận văn tập trung thực hiện đề tài: "Mô hình lưu
lượng của các hệ thống thông tin di động tế bào CDMA"
Luận văn bao gồm các nội dung sau:
Chương 1: Cơ sở chung về di động tế bào
Giới thiệu mạng tế bào di động và hệ thống trải phổ. Điểm nổi bật của

bản tóm tắt là những phương thức giải quyết hiện có trong mô hình lưu lượng
của mạng tế bào.
Chương 2: Can nhiễu tế bào khác
Chúng ta sẽ tìm hiểu về vấn đề can nhiễu bởi tế bào khác và các mô
hình M/G/ Ơ . Các mô hình M/G/ Ơ được chứng minh là đúng dựa trên phần
mềm. Tại thời điểm này khi mà mạng có lưu lượng lớn, mô hình đó có thể
nhậy cảm với việc từ chối những cuộc gọi mới để duy trì chất lượng kết nối
hiện có.
Chương 3: Nhiễu hiệu dụng
Dựa trên nhiễu hiệu dụng và dải thông hiệu dụng, chúng ta đi tìm hiểu
mô hình lưu lượng và vấn đề điều khiển mạng. Đây là phần quan trọng của
luận văn này.


3

Chương 1. Cơ sở chung về di động tế bào
Chương này cung cấp những giới thiệu cơ bản về hệ thống thông tin di
động tế bào. Những chủ đề được thảo luận bao gồm: phát triển của dịch vụ
thông tin cá nhân tế bào, công nghệ đa truy cập và mô hình lưu lượng của hệ
thống thông tin di động tế bào. Sau phần tóm tắt về thông tin trải phổ là những
nét đặc biệt quan trọng của mạng hoạt động với đa truy cập theo mã. Chủ đề
chính của luận văn này là mô hình lưu lượng của hệ thống sử dụng CDMA.
1.1. Sự phát triển của các hệ thống di động tế bào
Dịch vụ điện thoại di động nguyên thủy đã thường được điều khiển bởi
1 trung tâm thu phát, phục vụ một khu vực thành thị rộng lớn. Một vài kênh
radio đang hoạt động và một vài người đăng kí thuê bao có thể được hỗ trợ
trong quá trình duy trì chất lượng dịch vụ hợp lý.
Đầu năm 1980, những hệ thống tế bào thương mại đầu tiên đã được giới
thiệu. Bằng việc sử dụng lại phổ tần có giá trị một cách đều đặn, hệ thống tế

bào đã cung cấp một sự phát triển ấn tượng về khả năng và chất lượng dịch vụ.
Thế hệ đầu tiên của mạng tế bào sử dụng kỹ thuật đa truy cập phân chia
theo tần số (FDMA) với việc điều chế tương tự dải băng tần hẹp. Vùng dịch vụ
được phân chia thành các tế bào và mỗi tế bào được cung cấp bởi một máy thu
phát cục bộ gọi là các trạm gốc (BS). Mỗi một tế bào được chỉ định bởi một
mạng nhỏ của kênh radio đang hoạt động, có thể được sử dụng lại trong các tế
bào khác của mạng. Khoảng cách giữa hai tế bào này đủ xa để đảm bảo tỉ số
tín hiệu trên tạp âm SIR. Một mạng với 7 tế bào phổ biến sử dụng lại được
minh họa trong hình 1.1. Những tần số có thể được sử dụng lại trong các tế
bào với số lượng như nhau.


4

Hình 1.1. Một mạng tế bào với mẫu 7 cell tần số
Hệ quả của khái niệm vùng phục vụ cục bộ là phải hỗ trợ chuyển giao.
Chuyển giao xảy ra khi một trạm di động MS đang hoạt động di chuyển từ
một tế bào đến những kênh hiện tại khác được giải phóng và một kênh mới ở
một tế bào đích được chỉ định. Môi trường truyền vô tuyến trong một khoảng
cách xa là không chắc chắn dẫn đến yêu cầu tiếp tục giảm kích thước tế bào.
Điều này đồng nghĩa với việc hạn chế hệ số tăng ích.
Hệ thống tế bào thế hệ 1 bị hạn chế bởi dung lượng. Thế hệ thứ 2 sử
dụng kỹ thuật truyền thông kỹ thuật số đang được phát triển. Sức mạnh của
mã số cho phép hoạt động mạnh mẽ hơn với các kích thước tế bào nhỏ hơn và
sử dụng lại phổ tần nhiều hơn. Dung lượng hệ thống tăng khoảng từ 3 đến 20
lần so với hệ thống tương tự hiện có.
Các hệ thống kỹ thuật số chính đang tồn tại là GSM, D-AMPS và
Qualcomm CDMA. Hai hệ thống đầu tiên dựa theo sự lai ghép đa truy cập
phân chia theo tần số FDMA và đa truy cập phân chia theo thời gian TDMA
trong khi hệ thống Qualcomm hoạt động theo sự kết hợp FDMA và CDMA.

Hệ thống GSM châu Âu dường như thích hợp để trở thành một chuẩn toàn cầu
cho dịch vụ truyền thông cá nhân trong tương lai trừ khi dung lượng được dự
đoán và chất lượng phát triển của CDMA được chứng minh một cách đáng kể.


5

Luận văn này liên quan đến mô hình lưu lượng của hệ thống tế bào hoạt
động với CDMA và hiểu được cách xử lý của hệ thống dưới một tải thay đổi
ngẫu nhiên. Trong phần tiếp theo, sự phân tích lưu lượng của mạng tế bào sử
dụng FDMA/TDMA được xem xét dựa trên việc kiểm tra các tính năng quan
trọng của hệ thống tế bào CDMA.
1.2. Mô hình lưu lượng của hệ thống di động tế bào
Trong phần này những vướng mắc liên quan đến dung lượng của hệ
thống tế bào dưới tải ngẫu nhiên sẽ được thảo luận một cách tóm tắt.
Lưu lượng của mạng là số đo số lượng các lần khởi xướng cuộc gọi và
độ dài các cuộc gọi. Nó được định nghĩa như tích của tốc độ trung bình (số
cuộc gọi trên 1 giây) và thời gian giữ cuộc gọi trung bình (giây). Đơn vị lưu
lượng là Erlang. Mục tiêu của nhà cung cấp mạng di động tế bào là tăng lưu
lượng mạng (Erlang cho mỗi đơn vị vùng) với tài nguyên cố định và theo một
vài mức yêu cầu dịch vụ. Trong một mạng tế bào FDMA/TDMA có một số
các kênh radio phải sử dụng lại tần số dẫn đến hạn chế chất lượng dịch vụ.
Trong phần còn lại chúng ta xem xét đến việc đo lưu lượng của hệ thống di
động tế bào, các phương pháp phân chia kênh radio và công nghệ nhằm phân
tích những phương pháp này.
1.2.1. Các phép đo hiệu năng
Một phép đo hiệu năng quan trọng là xác suất một yêu cầu truy cập di
động đến liên kết radio bị từ chối. Chúng ta sẽ liên kết xác suất chặn cuộc gọi
cùng với sự phân cấp dịch vụ (Grade of Service - GoS).
Trong mạng tế bào cũng có hiện tượng chặn chuyển giao. Điều này xảy

ra khi máy di động đang chuyển động ra khỏi một tế bào nhưng không được
chỉ định tới một kênh trong tế bào đích khác. Nó dẫn đến việc cưỡng bức cuộc


6

gọi đó kết thúc. Việc chặn cuộc gọi dẫn đến việc kết thúc không bình thường
và tỉ số SIR giảm xuống.
Cuối cùng, là vấn đề chất lượng tiếng nói. Chất lượng tiếng nói liên
quan nhiều đến SIR trên liên kết radio. Đây là một yêu cầu SIR chi phối sự tái
sử dụng kích cỡ nhóm trong các hệ thống dựa trên tái sử dụng. Chú ý rằng sự
đo đạc này liên quan đến xác suất rớt khi một SIR không đủ cho một khoảng
thời gian nào đó thường dẫn đế việc cuộc gọi bị ngắt. Sau đây chất lượng dịch
vụ (QoS) sẽ đề cập tới sự thoả mãn của yêu cầu SIR.
1.2.2. Các chiến lược phân phối kênh
Các chiến lược phân phối kênh liên quan đến các phương pháp phân
phối các kênh vô tuyến cho các di động trong hệ thống tế bào sử dụng kênh
trực giao (FDMA/TDMA).
Phương pháp phân chia kênh dễ nhất là phương pháp phân kênh cố định
FCA. Một nhóm cố định các kênh được tạo ra cho mỗi tế bào theo một cách,
việc tái sử dụng sẽ luôn được thoả mãn. Nếu một di động tạo một yêu cầu
cuộc gọi đến 1 tế bào đã được chỉ định tất cả các kênh của nó, cuộc gọi sẽ bị
ngăn chặn. FCA có thể giữ không gian biến đổi bằng cách thiết lập thêm
nhiều kênh đến các tế bào bận hơn tuy nhiên nó không có khả năng điều chỉnh
đến việc khởi động ngắn hạn. Một phương pháp tiếp cận hay hơn nữa là sự
phân kênh động (DCA).
DCA không tạo ra bất kỳ sự giới hạn nào trên các kênh có thể được sử
dụng bởi bất cứ một tế bào nào. Một di động có thể được phân chia một kênh
cung cấp bởi sự tái sử dụng mà không bị vi phạm tại thời điểm phân kênh.
Thuật toán để thực hiện DCA yêu cầu số lượng lớn dữ liệu về trạng thái của

mạng, được tính toán và điều khiển một cách tập trung. So với FCA lượng dữ
liệu của DCA tăng hơn từ 10%-20% tại điểm tính toán GoS xác định.


7

Khả năng phát triển của DCA có thể được tăng cường hơn nữa bằng
cách sử dụng phép đo thời gian thực của các mức độ nhiễu để quyết định một
kênh có thể được cấp phát hay không. Điều này phổ biến hơn việc tái sử dụng
các quy tắc mà thường được tính toán dưới dạng giả định trường hợp xấu nhất.
Mô hình này sẽ được gọi là phân phối tài nguyên động DRA để phân biệt nó
với DCA.
Giữa FCA và DCA có một số các phương án đơn giản hơn DCA, nhưng
lại phức tạp hơn FCA. Chúng bao gồm các lược đồ lai trực tiếp xử lý lại và
trực tiếp ngắt kết nối.
1.2.3. Phân tích lưu lượng của các chiến lược phân kênh.
Chúng ta xem xét các mô hình phân tích của mạng tế bào. Mạng này
cho phép xử lý lưu lượng của mạng và cách thức ấn định kênh khác nhau.
Trường hợp đơn giản nhất để phân tích là FCA khi không có mô hình chuyển
giao. Trong mô hình này hệ thống gồm một mạng của các hàng đợi độc lập.
Cùng với một số giả định chuẩn, một tế bào với N kênh được mô hình là một
hàng đợi M/G/N/N và xác suất cuộc gọi mới bị chặn được tính từ công thức
Erlang B.
Khi DCA được giới thiệu, sự độc lập của các hàng đợi sẽ bị triệt tiêu và
vấn đề trở nên vô cùng thú vị. Bằng cách sử dụng mô hình DCA tổng quát,
độc lập với chi tiết thực hiện. Điều này chỉ ra rằng việc phân bố kết nối cho số
lượng những cuộc gọi có hiệu lực trong mỗi tế bào chiếm một hình thái của
một không gian trạng thái. Mặc dù công thức phân tích này cho phép một diễn
giải của xác suất cuộc gọi bị chặn sẽ được viết ra ngay lập tức, việc đánh giá
sự biểu diễn này là đáng kể. Trong hầu hết các trường hợp, việc sử dụng xấp

xỉ từ nguyên lý mạng chuyển mạch kênh hoặc sự mô phỏng như phương pháp
Monte-Carlo phải được yêu cầu.


8

Cách tiếp cận trên có thể được mở rộng để phân tích một vài thay đổi
của DCA bao gồm các lược đồ lai, chuyển giao có điều khiển, giới hạn trang
thiết bị, nhóm các kênh và đa lớp. Mặc dù mạng di động tế bào CMDA có các
tính năng hoạt động rất khác so với các mạng sử dụng kênh trực giao, điều này
được chỉ ra trong [8] rằng hiệu năng truyền nhận của hệ thống CDMA có thể
được phân tích trong một khuôn khổ đơn giản của DCA. Tiếp theo chúng ta
xem xét đến những nguyên tắc cơ bản của hệ thống CDMA trước khi xem xét
lại công việc đã tồn tại của mô hình lưu lượng cho những mạng này.
1.3. Hệ thống di động tế bào CDMA
Qui tắc phân chia đa truy nhập theo mã hay còn gọi là CDMA là một
ứng dụng của khái niệm thông tin trải phổ. Trong phần này chúng ta sẽ xem
xét một cách ngắn gọn khái niệm trải phổ, bàn luận về cách sử dụng nó như
một phương thức đa truy nhập và xem xét các tính chất quan trọng của mạng
di động sử dụng CDMA.
1.3.1. Thông tin trải phổ
Định nghĩa về trải phổ: Trải phổ là một phương tiện của việc thông tin
trong đó tín hiệu chiếm một băng thông vượt quá sự cần thiết tối thiểu để gửi
được thông tin; mở rộng dải thông được thực hiện thông qua một mã không
phụ thuộc vào dữ liệu và một sự thu nhận đồng bộ với mã đó tại nơi nhận được
dùng cho việc tập hợp và khôi phục dữ liệu ngay sau đó.
Khái niệm trải phổ đã được dùng ít nhất là từ những năm 1920 và các
hệ thống đã phát triển từ những năm 1950. Phần lớn các ứng dụng là thông tin
thuộc quân đội và khai thác một hoặc nhiều các thuộc tính sau của trải phổ :
- Xác suất đụng độ thấp

- Chống nhiễu
- Triệt hiện tượng đa tia


9

- Bảo mật
- Khả năng đa truy nhập
Hai phương thức thông dụng nhất của việc thực hiện trải phổ là sự điều
chế chuỗi trực tiếp (DS) và nhảy tần (FH). Trong điều chế DS, sóng mang điều
chế dữ liệu được điều chế bằng cách trộn với một chuỗi mã hóa giả ngẫu
nhiên bất kỳ, nhanh (băng thông lớn hơn băng thông dữ liệu). Trong FH tần số
sóng mang được phân đoạn để sử dụng ngẫu nhiên.
1.3.2. Đa truy nhập trải phổ
Từ những năm 1980 trải phổ có các ứng dụng ngoài quân đội tăng lên.
Phần lớn trong số đó, đáng kể có các hệ thống vệ tinh và các mạng di động,
đều dựa trên khả năng đa truy nhập. Các thuộc tính khác của trải phổ tạo cho
kỹ thuật này các lợi ích riêng biệt trên các phương thức đa truy nhập khác
nhau, đặc biệt là trong môi trường tế bào di động không thân thiện.
Một cặp thu phát trải phổ chuỗi trực tiếp (DS-SS) đơn giản tại băng
gốc được mô tả trong hình 1.2. Tín hiệu truyền gồm một chuỗi dữ liệu số điều
biến bởi một chuỗi mã hóa giả ngẫu nhiên nhanh hơn. Tín hiệu nguồn được
trải một cách hiệu quả trên một băng thông vượt quá mức của băng thông dữ
liệu. Các thuộc tính giả ngẫu nhiên của chuỗi dải rộng bao hàm dữ liệu trải có
phổ phẳng nhưng không giống với nhiễu trắng.
Tại nơi nhận tín hiệu được lấy tương quan với một phiên bản cục bộ
đồng bộ của mã hóa giả ngẫu nhiên sử dụng trong bên truyền. Thao tác này
giải trải dữ liệu trong khi để lại nhiễu và tạp âm làm băng thông rộng hơn.
Tiếng ồn và nhiễu này có thể được bỏ một cách triệt để bằng bộ lọc thông
thấp.

10

Hình 1.2. Bộ thu phát DS-SS cơ bản
Trong đa truy cập, mỗi người dùng được cung cấp một mã giả ngẫu
nhiên bất kỳ duy nhất hoặc một thời gian dịch duy nhất của mã đó. Thuộc tính
tương quan chéo thấp và tự tương quan nghĩa là mỗi máy thu tương quan
người dùng để lại nhiều người dùng khác vẫn trải phổ. Bộ lọc dải hạn chế khi
đó sẽ lọc ra hầu hết năng lượng nhiễu. Những mã giả ngẫu nhiên thường
không trực giao nên không giống như FDMA và TDMA, đa truy cập trải phổ
hoặc CDMA có thuộc tính mà tất cả người dùng sẽ gây nhiễu đến những
người khác. Thuộc tính này không được mong muốn trong truyền thông đa
người dùng giữa một cặp thu pháp đơn tại đó lược đồ trực giao sẽ cho ra
dung lượng lớn nhất. Tuy nhiên tình huống này khá khác với môi trường di
động tế bào.
1.3.3. Di động tế bào CDMA
Sự đề xuất sử dụng CDMA cho thông tin di động bắt đầu xuất hiện trên
sách báo trong những năm cuối của thập kỷ 70. Hệ thống này bao gồm FHCDMA và sự cải thiện khả năng dự báo trên những hệ thống sẵn có cỡ 5 lần.
Gần đây sự phát triển và kiểm chứng của hệ thống di động DS-CDMA bởi
công ty Qualcomn Inc sự cải thiện khả năng dự báo giữa 10 và 20 lần hệ thống
tương tự (analog) đã có và từ 3 đến 7 lần hệ thống số (digital) đã được chứng
minh. Trong một lĩnh vực mà dải thông là tài nguyên chủ yếu, sự tăng hiệu
quả phổ tạo cho công nghệ CDMA trở thành một ứng cử viên chủ yếu cho thị
trường di động và không dây trong tương lai.


11

Bây giờ chúng ta sẽ thảo luận một số tính năng hoạt động của hệ di

động tế bào CDMA. Chúng ta giả sử rằng đường lên và đường xuống thực
hiện trực giao tần số và vì vậy không gây nhiễu lẫn nhau.
Điều khiển công suất
Dung lượng của hệ thống CDMA bị giới hạn bởi xuyên nhiễu giữa tất
cả người sử dụng. Trong một tế bào di động đơn tế bào, tất cả người dùng phát
với cùng một công suất, một di động gần trung tâm tế bào sẽ có tín hiệu thu
tại BS lớn hơn nhiều so với tế bào ở gần biên. Điều này tạo ra sự không công
bằng và giảm đi dung lượng của hệ thống. Vấn đề này được biết đến như là
hiệu ứng gần - xa, khắc phục bằng cách sử dụng điều khiển công suất. Đối với
đường lên, mục đích của điều khiển công suất là giữ công suất tín hiệu nhận
được hoặc SIR là hằng số cho mỗi người sử dụng. Cả hai phương pháp là
tương đương cho đơn tế bào, nhưng với trường hợp đa tế bào, yếu tố SIR sẽ là
đáng kể hơn.
Trên đường xuống, điều khiển công suất là không cần thiết trong môi
trường đơn tế bào. Bằng cách cho mọi người dùng một giá trị như nhau của
công suất phát và nhận tín hiệu và nhiễu cùng độ sai lệch, những SIR nhận
được từ người dùng sẽ bằng nhau và không thay đổi. Tuy nhiên, đối với môi
trường đa tế bào, những di động gần biên tế bào sẽ bất lợi bởi nhiễu từ phía
các tế bào khác. Thuật toán điều khiển công suất để chống sự bất cân bằng
này cho phép những mobile ở xa hơn nhận được công suất lớn hơn.
Phân tập
Một nguyên nhân chính của sự suy giảm tín hiệu trong môi trường di
động là fađing đa đường do các bản sao của tín hiệu đến tại thiết bị thu cùng
với độ trễ biến thiên. Bộ cân bằng mạnh trong những hệ thống FDMA hay
TDMA là cần để giải quyết được vấn đề này. Tuy nhiên trong hệ thống
CDMA, các thuộc tính tương quan tự động của các chuỗi mã cho phép những


12

đường đi với độ trễ lớn hơn thời gian chip được giải quyết và sử dụng. Điều
này có hiệu quả cung cấp một dạng của phân tập nội bộ và sự giảm fading lớn.
Một dạng khác của phân tập trong hệ CDMA là phân tập macro tại đó
một mobile có thể kết nối đến 2 hay nhiều tế bào (hình 1.3). Trên các đường
lên các tín hiệu nhận được tại các trạm gốc khác nhau và có thể được kết hợp
sử dụng kỹ thuật phân tập tiêu chuẩn. Trên các đường xuống từ các vị trí tế
bào khác nhau có thể chỉ được coi như mô hình đa đường, trước tiên giải quyết
và kết hợp.

Hình 1.3: Tính phân tập trong CDMA
Chuyển giao mềm
Liên quan đến tính phân tập vĩ mô là vấn đề chuyển giao mềm. Khi một
di động di chuyển từ 1 tế bào đến một tế bào khác, thay vì ngắt bỏ kết nối
đang có trước khi bắt đầu giao tiếp với tế bào đích, nó có thể kết nối tới một
hoặc nhiều hơn các trạm cơ sở trong suốt thủ tục chuyển giao. Chỉ khi di động
được thiết lập hoàn toàn trên tế bào mới, chuyển giao còn lại sẽ bị ngắt bỏ.
Quy tắc này sẽ mềm dẻo hơn chuyển giao cứng của mạng FDMA/TDMA.
Tích cực thoại


13

Trong đàm thoại hai chiều, mỗi người nói sẽ hoạt động khoảng 40%
thời gian. Sự phát hiện của chu trình không hoạt động và sự chặn của việc
truyền sẽ làm giảm nhiễu đến mọi người dùng. Điều này dẫn tới tăng dung
lượng tỉ lệ nghịch với hệ số tích cực tiếng nói.
Chia sectơ
Nếu các anten định hướng được sử dụng tại các trạm cơ sở, các tế bào
có thể được chia thành các sectơ. Trên đường liên kết ngược, chỉ có nhiễu từ
những di động (mobile) nằm trong dải thông của anten. Vì vậy, khái niệm

sectơ thực tạo ra dung lượng tăng cân bằng với số lượng sectơ. Thông thường
3 sectơ sẽ được sử dụng cho một tế bào tạo ra sự tăng dung lượng cỡ 2,5 lần.
Quá tải dần dần
Các hệ thống sử dụng FDMA và TDMA, hoặc thực tế bất cứ một công
nghệ đa truy cập trực giao khác, có một giới hạn cứng đối với số lượng kênh
sẵn sàng cho phổ và dải thông dữ liệu. CDMA sử dụng các mã trực giao giả và
cung cấp tốc độ mã nhiều hơn tốc độ dữ liệu, số lượng những mã này là rất
lớn. Điều này có nghĩa là một người dùng mới có thể gần như luôn được chấp
nhận vào hệ thống với chi phí tăng không đáng kể trong việc can thiệp đến tất
cả những người dùng khác. Điều này tạo ra sự cân bằng giữa khả năng và chất
lượng dịch vụ.
Không cần quản lý tần số.
Trong mạng di động CDMA toàn bộ phổ được sử dụng trong mỗi tế
bào. Vì thế không cần đưa ra kế hoạch tài nguyên thường xuyên như những hệ
thống cơ sở tái sử dụng. Hơn nữa DCA vốn đã có trong CDMA mà không cần
quản lý tập trung của sự phân kênh và tái phân kênh.


14

1.3.4. Tính toán dung lượng
Trước khi giới thiệu vài phương pháp tính toán dung lượng cơ bản, nên
chú ý rằng dung lượng của mạng CDMA phải được tính toán một cách riêng
rẽ. Truyền thông đồng bộ với tín hiệu trực giao thực hiện được trên đường
xuống là nhờ cách sử dụng của tín hiệu dẫn đường công suất cao. Điều này cô
lập nhiễu từ các máy khác trong cùng khu vực và thông thường làm cho đường
xuống có hiệu suất cao hơn. Vì lý do này chúng ta tập trung vào giới hạn của
hiệu suất đường lên.
Trong phần này dung lượng sẽ được xem như số người dùng tĩnh có thể
được hỗ trợ trên liên kết về trong khi duy trì một chất lượng dịch vụ chấp nhận

được (BER) với một xác suất cho trước.
Đơn tế bào
Xem xét một tế bào đơn với N mobile hoạt động và sự điều khiển công
suất hoàn hảo của cường độ tín hiệu nhận được. Tỉ số tín hiệu trên nhiễu của
mỗi mobile, bỏ qua nhiễu nền, được tính theo:
SIR=

1
N -1

Điều này có thể liên quan tới một tỉ lệ năng lượng bit trên mật độ nhiễu
(Eb/I0) thông qua độ tăng ích:
Eb
W
=
SIR =
R
I0

W

R
N-1

Trong đó W là băng thông của phổ dải rộng, R là tỉ lệ dữ liệu và W/R là độ
tăng ích, sự đo lường chính của kích thước hệ thống.
Giả sử rằng một BER chấp nhận được dẫn đến môt tỉ lệ chắc chắn Eb/I0
là đạt được. Số người sử dụng được hỗ trợ sẽ là:

15

N=1 +

W
Eb

R
I0

Dung lượng tính toán này có thể tăng lên khi sử dụng sectơ hóa và giảm
tỉ lệ phát trong thời kỳ lặng như thảo luận ở trên. Nếu a là sự tăng thêm do
quản lý hoạt động tiếng nói và b là sự tăng thêm sectơ, thì dung lượng hệ
thống gần đúng là:
N ằa b

W
Eb

R
I0

Với sự thay thế các giá trị thông thường, công suất là N ằ W/R, điều
này làm cho CDMA có tính cạnh tranh với FDMA/TDMA trên tế bào đơn cơ
bản. Tuy nhiên trong môi trường đa tế bào, CDMA chứng tỏ được ưu thế vượt
trội.
Đa tế bào
Xem xét một mảng hai chiều các tế bào với N người dùng cho mỗi tế
bào. Cách đơn giản nhất để tính nhiễu từ các tế bào khác là tính thêm thừa số
nhiễu từ các tế bào khác k . Dung lượng đa tế bào sẽ thành:

N ằa b

W
Eb

R

1+ k )
I0 (

Với k nằm từ 0.5 - 0.6. Trong một môi trường đa tế bào, dung lượng cho mỗi
tế bào xấp xỉ 60% dung lượng của tế bào đơn cách ly. Trong một hệ thống cơ
bản sử dụng lại được, dung lượng của mỗi tế bào bị giảm bởi hệ số sử dụng lại
và với một hệ thống sử dụng lại 1/7, số kênh cho mỗi tế bào chỉ còn 14% tổng
số.


16

Tại sao CDMA đứng đầu sự cải thiện dung lượng trong các hệ thống tế
bào? Câu trả lời đơn giản là với CDMA tổng nhiễu gồm có các sự đóng góp
nhỏ từ một số lượng lớn người sử dụng trong khi với FDMA hoặc TDMA
nhiễu được tạo thành từ một số nhỏ người sử dụng cái mà tạo ra nhiễu đáng kể
trừ phi sự cô lập đáng kể giữa những người sử dụng cùng kênh được duy trì.
Những khuyết điểm của các phân tích dung lượng hiện có
Trước tiên là khả năng của CDMA đa tế bào với việc nhấn mạnh thực tế
trên sự phân tích nhiễu tế bào khác. Giả sử rằng có một số người dùng bằng
nhau trên mỗi tế bào và vì thế chúng bằng phẳng và liên tục trải ra qua mỗi tế
bào. Sự điều khiển hoàn hảo công suất tới tín hiệu cố định được giả thiết và
mô hình truyền được tính toán cho hiệu quả che khuất độc lập thông thường.

Một Gausian xấp xỉ theo những ranh giới vào hai nhiễu hiện tại đầu tiên dẫn
tới mối quan hệ giữa số người dùng trên tế bào và xác suất BER có thể chấp
nhận được. Những phân tích mở rộng của công việc này cho phép tập trung
bao gồm những hiệu ứng fađing đa tia, mà điều khiển công suất không hoàn
hảo, thu phân tập và thu chia tốc độ băng hẹp với những mảng anten. Nền tảng
mục tiêu luận văn này sẽ mở rộng sự phân tích đa tế bào đơn giản trong
phương hướng khác nơi mà hai nguồn chính sự biến đổi tức thời gọi là ngẫu
nhiên của những cuộc gọi và vị trí ngẫu nhiên của thiết bị di động được đưa
vào để xem xét. Chúng ta quan tâm đến việc xác định số lượng khả năng và
thực hiện của mạng CDMA. Một phần ngạc nhiên là rất ít công trình đã xuất
hiện trong tài liệu về các mô hình lưu lượng hay điều hành mạng của hệ thống
CDMA. Trong chương tiếp theo chúng ta sẽ xem xét phân tích cách tiếp cận
cho vấn đề.
1.3.5. Mô hình lưu lượng mạng CDMA
Như được đề cập trong mục trước đa số các khả năng phân tích hiện hữu
cho mạng CDMA đa tế bào giả thiết rằng tất cả các tế bào chứa đựng số lượng


17

máy di động bằng nhau. Dung lượng được định nghĩa như số lượng tối đa thiết
bị di động trên tế bào mà có thể hỗ trợ trong khi bảo trì một SIR có thể chấp
nhận với một xác suất đã cho.
Một sự đo đạc hữu ích và quan trọng hơn là dung lượng lưu lượng của
hệ thống đo trong Erlang trên tế bào. Dung lượng lưu lượng là một sự tính
toán động hơn mà hợp nhất làm sao để mạng điều khiển tính biến thiên vào
những thời gian mà các cuộc gọi từ nhiều nơi, nhiều thời gian.
Thủ tục hiển nhiên nhất để đến mô hình hoá lưu lượng mạng CDMA
như sau.
1. Chỉ rõ sự ràng buộc QoS dưới dạng SIR vượt ngưỡng với một xác suất cao

nhất định.
2. Sử dụng khả năng phân tích xác định số người dùng lớn nhất trên mỗi tế
bào, N, có thể được cho phép trong khi thoả mãn sự ràng buộc QoS.
3. Giả thiết không thể hơn N cuộc gọi được chấp nhận trong bất kỳ tế bào nào.
Một cuộc gọi đến tại một vùng với N đã cuộc gọi thì bị nghẽn mạng với
mỗi tế bào được mô hình như một hàng độc lập M/G/N/N và xác suất chặn
tính toán từ công thức Erlang B.
4. Với sự ràng buộc GoS chỉ rõ rằng một cuộc gọi mong muốn cho xác suất
khoá đường truyền thì đơn giản là cực đại đường truyền trên tế bào mà kết
quả trong sự cho phép của ràng buộc GoS.
Phương pháp thao tác và phân tích này thì tương tự như FCA trong các
kênh hệ thống. Như sơ đồ FCA thì khá đơn giản dễ hiểu. Nó không khai thác
sự phức tạp cố hữu trong mạng CDMA nhờ đó mà một tế bào cùng loại có thể
dễ dàng chấp nhận hơn N cuộc gọi và như vậy dẫn tới việc giảm xác suất chặn
cuộc gọi. Hiện thời, cả hai cách tiếp cận trên sách báo tập trung vào việc cung
cấp sự phân tích lưu lượng dung lượng linh hoạt hơn. Những trung tâm đầu