Ứng dụng kỹ thuật sdma giải quyết tắc nghẽn trong mạng thông tin di động

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
--------------------

PHAN THỊ THANH BÌNH

ỨNG DỤNG KỸ THUẬT SDMA GIẢI QUYẾT
TẮC NGHẼN TRONG MẠNG THÔNG TIN DI
ĐỘNG

Chuyên ngành : KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

LUẬN VĂN THẠC SĨ
 
 
 
 
 

 
 

TP. HỒ CHÍ MINH, THÁNG 12 NĂM 2010 


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

Tp. HCM, ngày….. tháng….. năm ……….

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: Phan Thị Thanh Bình

Phái: Nữ

Ngày, tháng, năm sinh: 01- 07 - 1980

Nơi sinh: TP. HCM

Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện Tử

MSHV: 09140002

I- TÊN ĐỀ TÀI:
Ứng dụng kỹ thuật SDMA giải quyết tắc nghẽn trong mạng thông tin di động.
II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
1. Tìm hiểu về các phương pháp giảm nghẽn truyền thống. Tìm hiểu về kỹ thuật
SDMA và lý thuyết về anten thông minh.
2. Tìm hiểu về các bộ tạo búp sóng tối ưu LCMV và GSC
3. Cơng thức tính xác suất nghẽn và tỉ số tín hiệu trên nhiễu cho hệ thống trong trường
hợp sử dụng kỹ thuật SDMA hai lần tái sử dụng tần số và SDMA ba lần tái sử dụng
tần số
4. Mô phỏng và đánh giá dung lượng, chất lượng hệ thống với ứng dụng của bộ tạo búp sóng
LCMV và GSC trong trường hợp SDMA hai lần tái sử dụng tần số và SDMA ba lần tái sử
dụng tần số
III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ (Ngày bắt đầu thực hiện LV ghi trong QĐ giao đề tài): 05 –
07 - 2010

IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 06 – 12 - 2010
V- CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Ghi rõ học hàm, học vị, họ, tên): TS. ĐỖ HỒNG TUẤN
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
(Học hàm, học vị, họ tên và chữ ký)

CN BỘ MÔN
QL CHUYÊN NGÀNH


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH
Cán bộ hướng dẫn khoa học :............................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Cán bộ chấm nhận xét 1 :..................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Cán bộ chấm nhận xét 2 :..................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG TP. HCM
ngày
tháng
năm
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ)
1.........................................................................................................................................
2.........................................................................................................................................
3.........................................................................................................................................
4.........................................................................................................................................
5.........................................................................................................................................
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Bộ môn quản lý chuyên ngành sau
khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).
Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV

Bộ mơn quản lý chuyên ngành


Lời Cảm Ơn
Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Quý thầy cô trường Đại học Bách khoa
Thành phố Hồ Chí Minh, đặc biệt là thầy cơ bộ mơn Điện tử - Viễn thơng đã tận tình
giảng dạy, truyền đạt cho tôi những kiến thức vô cùng quý báu trong suốt thời gian vừa
qua.
Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến thầy Đỗ Hồng Tuấn, đã tận tình hướng
dẫn, giúp đỡ, hổ trợ tài liệu và định hướng nghiên cứu giúp tơi hồn thành luận văn
này. Tơi cũng xin cảm ơn các bạn học viên lớp Cao Học Kỹ thuật Điện tử 2009 vì
những góp ý, trao đổi quan trọng trong quá trình thực hiện luận văn.
Cuối cùng, tơi xin cảm ơn gia đình, bạn bè, người thân đã trực tiếp hay gián
tiếp giúp đỡ, chia sẻ, động viên tơi rất nhiều để có thể hồn thành bản luận văn này.
Tơi xin gửi đến gia đình, Q thầy cơ, bạn bè, người thân lời kính chúc sức

khỏe, hạnh phúc và thành cơng.

Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2010
Phan Thị Thanh Bình


Tóm tắt
Sự bùng nổ nhu cầu thơng tin vơ tuyến nói chung và thơng tin di động nói riêng
trong các năm gần đây đã thúc đẩy sự phát triển của công nghệ thông tin vô tuyến.
Nhiều kỹ thuật đã được đưa ra để đáp ứng nhu cầu tăng nhanh này.
Việc sử dụng hiệu quả lại phổ tần số cũng có ý nghĩa quan trọng trong việc tăng
dung lượng hệ thống. Đã có nhiều biện pháp được đưa ra như : chia cell, sector hóa,
mượn kênh, gán kênh động …
Tuy nhiên, tất cả các biện pháp này đều tồn tại những khuyết điểm riêng: như
tốn nhiều chi phí để lắp đặt thêm BTS và anten (như phương pháp chia cell, sector
hóa), hoặc phải phụ thuộc vào cell kế cận và còn ảnh hưởng đến việc sử dụng nguồn tài
nguyên của các cell đồng kênh với cell kế cận đó để đảm bảo giảm can nhiễu (như
phương pháp pháp mượn kênh, gán kênh động). Do đó, một kỹ thuật mới đang được
nghiên cứu và ứng dụng để hổ trợ cho các hệ thống hiện tại và hệ thống mới. Đó là kỹ
thuật đa truy cập phân chia theo không gian (Space Division Multi Access - SDMA)
SDMA là một kỹ thuật làm tăng dung lượng của một hệ thống vô tuyến bằng
cách sử dụng thông tin không gian giữa các người sử dụng (như hướng đến, hướng
phát của nguồn tín hiệu). Trạm gốc tập trung công suất theo hướng thuê bao và giảm
công suất ở các hướng khác. Ngoài ra, do chỉ thay đổi phần thiết bị tại trạm gốc, không
chia lại cell nên SDMA là kỹ thuật rất hiệu quả trong triển khai thực tế. Kỹ thuật
SDMA này có thể được hiện thực bằng cách sử dụng hệ thống anten thông minh. Do
đó, anten thơng minh đóng vai trị quan trọng trong việc cải thiện dung lượng và chất
lượng hệ thống.

Trong luận văn này, chúng tơi tìm hiểu về các thuật tốn tạo búp sóng động
LCMV và GSC (đây là các thuật tốn thơng dụng cho anten thơng minh) để tạo các
búp sóng có độ lợi cao về hướng mong muốn, độ lợi thấp hoặc bằng không về hướng
không mong muốn, nhằm ứng dụng kỹ thuật SDMA giải quyết tắc nghẽn cho một vùng
nhỏ có sự tăng đột biến về dung lượng.
Các cơng thức tính xác suất nghẽn và SIR cho hai trường hợp SDMA hai lần tái
sử dụng tần số và SDMA ba lần tái sử dụng được trình bày.
Ứng dụng các cơng thức tính này xác định xác suất nghẽn và tỉ số tín hiệu trên
nhiễu cho mỗi bộ tạo búp sóng LCMV và GSC trong từng trường hợp SDMA hai lần
tái sử dụng tần số và SDMA ba lần tái sử dụng tần số.
Thông qua việc điều chính vector trọng số, các thuật tốn LCMV và GSC đã tạo
búp sóng động và thuận tiện trong triển khai thực tế, hướng các búp sóng có độ lợi cao
về hướng mong muốn, hướng các búp sóng phụ (LCMV) hoặc các búp có giá trị null
(GSC) về hướng khơng mong muốn. Dựa vào đặc tính bức xạ này và thơng tin về
khơng gian của th bao, ta có thể tái sử dụng tần số ở các vị trí khác nhau trong cùng
một cell. Đây chính là kỹ thuật SDMA.
Việc tính toán hai độ đo: xác suất nghẽn và tỉ số tín hiệu trên nhiễu trong từng
trường hợp (SDMA hai lần tái sử dụng tần số và SDMA ba lần tái sử dụng tần số) với
hai bộ tạo búp sóng LCMV và GSC chứng minh được kỹ thuật SDMA đã cải thiện
được dung lượng và chất lượng hệ thống.


Mục lục
Chương 1: Giới thiệu ------------------------------------------------------------------------- 01
1.1 Đặt vấn đề ---------------------------------------------------------------------------- 01
1.2 Phạm vi nghiên cứu của đề tài ----------------------------------------------------- 02
1.3 Phân bố nội dung -------------------------------------------------------------------- 03
Chương 2: Các phương pháp giảm nghẽn truyền thống – Kỹ thuật SDMA ------ 04
2.1 Mở chương --------------------------------------------------------------------------- 04
2.2 Các phương pháp giảm nghẽn truyền thống ------------------------------------- 04

2.2.1 Chia cell ---------------------------------------------------------------------- 04
2.2.2 Sector hóa -------------------------------------------------------------------- 05
2.2.3 Mượn kênh------------------------------------------------------------------- 06
2.2.4 Gán kênh động -------------------------------------------------------------- 08
2.2.5 Chồng cell-------------------------------------------------------------------- 09
2.3 Kỹ thuật đa phân chia theo không gian (SDMA) ------------------------------- 10
2.3.1 Khái niệm SDMA----------------------------------------------------------- 10
2.3.2 Giới thiệu anten thông minh----------------------------------------------- 11
2.3.2.1 Một số khái niệm cơ bản ------------------------------------------ 11
2.3.2.2 Anten thông minh -------------------------------------------------- 11
2.3.2.3 Phân loại hệ thống anten thơng minh---------------------------- 12
2.3.2.4 Lợi ích của anten thơng minh ------------------------------------ 14
2.4 Kết chương --------------------------------------------------------------------------- 16
Chương 3: Các bộ tạo búp sóng tối ưu---------------------------------------------------- 17
3.1 Mở chương --------------------------------------------------------------------------- 17
3.2 Bộ tạo búp sóng dùng LCMV------------------------------------------------------ 17


3.3 Bộ tạo búp sóng dùng GSC -------------------------------------------------------- 22
3.4 Kết chương --------------------------------------------------------------------------- 26
Chương 4: Tính xác suất nghẽn - Tỉ số tín hiệu trên nhiễu--------------------------- 27
4.1 Mở chương --------------------------------------------------------------------------- 27
4.2 Tính xác suất nghẽn ----------------------------------------------------------------- 27
4.2.1 Trường hợp khơng sử dụng kỹ thuật SDMA---------------------------- 27
4.2.2 Trường hợp sử dụng SDMA hai lần tái sử dụng tần số ---------------- 28
4.2.2.1 Sơ đồ định vị kênh ------------------------------------------------- 28
4.2.2.2 Tính xác suất nghẽn------------------------------------------------ 30
4.2.2.3 Mơ hình chuỗi Markov xấp xỉ một chiều ----------------------- 33
4.2.3 Trường hợp sử dụng kỹ thuật SDMA ba lần tái sử dụng tần số ------ 36
4.2.3.1 Sơ đồ định vị kênh ------------------------------------------------- 36

4.2.3.2 Mơ hình xấp xỉ một chiều----------------------------------------- 37
4.2.3.3 Mơ hình xấp xỉ hai chiều------------------------------------------ 39
4.3 Tính tỉ số tín hiệu trên nhiễu ------------------------------------------------------- 43
4.4 Kết chương --------------------------------------------------------------------------- 46
Chương 5: Kết quả mô phỏng -------------------------------------------------------------- 47
5.1 Mở chương --------------------------------------------------------------------------- 47
5.2 Kết quả mô phỏng dùng LCMV --------------------------------------------------- 47
5.2.1Trường hợp SDMA hai lần tái sử dụng tần số--------------------------- 47
5.2.1.1 Đồ thị bức xạ ------------------------------------------------------- 47
5.2.1.2 Tính tỉ số tín hiệu trên nhiễu-------------------------------------- 53
5.2.1.3 Tính xác suất nghẽn------------------------------------------------ 53
5.2.2 Trường hợp SDMA ba lần tái sử dụng tần số--------------------------- 55
5.2.2.1 Đồ thị bức xạ ------------------------------------------------------- 55


5.2.2.2 Tính tỉ số tín hiệu trên nhiễu-------------------------------------- 59
5.2.2.3 Tính xác suất nghẽn------------------------------------------------ 60
5.3 Kết quả mô phỏng dùng GSC------------------------------------------------------ 61
5.3.1Trường hợp SDMA hai lần tái sử dụng tần số--------------------------- 62
5.3.1.1 Đồ thị bức xạ ------------------------------------------------------- 62
5.3.1.2 Tính tỉ số tín hiệu trên nhiễu-------------------------------------- 68
5.3.1.3 Tính xác suất nghẽn------------------------------------------------ 69
5.3.2 Trường hợp SDMA ba lần tái sử dụng tần số--------------------------- 70
5.3.2.1 Đồ thị bức xạ ------------------------------------------------------- 70
5.3.2.2 Tính tỉ số tín hiệu trên nhiễu-------------------------------------- 74
5.3.2.3 Tính xác suất nghẽn------------------------------------------------ 75
5.4 Kết chương --------------------------------------------------------------------------- 77
Chương 6: Kết luận và hướng phát triển đề tài----------------------------------------- 78
6.1 Kết luận ------------------------------------------------------------------------------- 78
6.2 Hướng phát triển của đề tài--------------------------------------------------------- 80

Danh mục các hình vẽ
Hình 2.1 Quá trình chia cell .....................................................................................05
Hình 2.2 Dùng anten có hướng để sector hóa cell ...................................................06
Hình 2.3 Quá trình mượn kênh.................................................................................06
Hình 2.4 Giảm nhiễu cho q trình mượn kênh bằng phương pháp sector hóa.......07
Hình 2.5 Quá trình gán kênh động ...........................................................................08
Hình 2.6 Quá trình chồng cell ..................................................................................10
Hình 2.7 Các loại dãy anten .....................................................................................12
Hình 2.8 (a) Hệ thống anten chuyển búp sóng
(b) Hệ thống mạng anten thích nghi...........................................................14
Hình 2.9 Mở rộng vùng phủ sóng dùng anten thơng minh ......................................14
Hình 2.10 Giảm nhiễu đường xuống và loại trừ nhiễu đường lên dùng anten thơng
minh...........................................................................................................................15
Hình 3.1 Mạch lọc tuyến tính ...................................................................................18
Hình 3.2 Sóng tới phẳng trên dãy anten tuyến tính..................................................19
Hình 3.3 Sơ đồ khối của GSC ..................................................................................24
Hình 3.4 GSC đưa về mạch lọc tối ưu chuẩn ...........................................................25
Hình 4.1 Mơ hình lưu thoại theo chuỗi Markov cho trường hợp khơng sử dụng kỹ
thuật SDMA ..............................................................................................................28
Hình 4.2 Mơ hình lưu thoại theo chuỗi Markov cho SDMA hai lần tái sử dụng tần
số ...............................................................................................................................30
Hình 4.3 Mơ hình chuỗi Markov xấp xỉ một chiều cho SDMA hai lần tái sử dụng
tần số .........................................................................................................................34
Hình 4.4 Mơ hình lưu thoại theo chuỗi Markov cho SDMA ba lần tái sử dụng tần số
...................................................................................................................................37


Hình 4.5 Mơ hình chuỗi Markov xấp xỉ một chiều cho SDMA hai lần tái sử dụng

tần số .........................................................................................................................38
Hình 4.6 Sơ đồ định vị kênh cho SDMA ba lần tái sử dụng tần số .........................39
Hình 4.7 Mơ hình lưu thoại theo chuỗi Markov xấp xỉ hai chiều cho SDMA ba lần
tái sử dụng tần số.......................................................................................................40
Hình 4.8 Nhiễu đồng kênh bởi lớp thứ nhất.............................................................44
Hình 4.9 Sector hóa 1200 ..........................................................................................50
Hình 4.10 Sector hóa 600 ..........................................................................................50
Hình 5.1 Đồ thị bức xạ dùng LCMV cho hai hướng tín hiệu mong muốn trong tọa
độ Decard với M =4 ..................................................................................................48
Hình 5.2 Đồ thị bức xạ dùng LCMV cho hai hướng tín hiệu mong muốn trong tọa
độ cực với M =4 ........................................................................................................49
Hình 5.3 Đồ thị bức xạ dùng LCMV cho hai hướng tín hiệu mong muốn trong tọa
độ Decard với M =5 ..................................................................................................50
Hình 5.4 Đồ thị bức xạ dùng LCMV cho hai hướng tín hiệu mong muốn trong tọa
độ cực với M =5 ........................................................................................................52
Hình 5.5 Xác suất nghẽn theo lưu thoại trong trường hợp SDMA hai lần tái sử dụng
tần số dùng LCMV....................................................................................................54
Hình 5.6 Đồ thị bức xạ dùng LCMV cho ba hướng tín hiệu mong muốn trong tọa độ
Decard với M =4 .......................................................................................................55
Hình 5.7 Đồ thị bức xạ dùng LCMV cho ba hướng tín hiệu mong muốn trong tọa độ
cực với M =4 .............................................................................................................57
Hình 5.8 Đồ thị bức xạ dùng LCMV cho ba hướng tín hiệu mong muốn trong tọa độ
Decard với M =5 .......................................................................................................58
Hình 5.9 Đồ thị bức xạ dùng LCMV cho ba hướng tín hiệu mong muốn trong tọa độ
cực với M =5 .............................................................................................................59


Hình 5.10 Xác suất nghẽn theo lưu thoại dùng LCMV cho ba hướng tín hiệu mong
muốn..........................................................................................................................61
Hình 5.11 Đồ thị bức xạ dùng GSC cho hai hướng tín hiệu mong muốn trong tọa độ

Decard với M =4 .......................................................................................................62
Hình 5.12 Đồ thị bức xạ dùng GSC cho hai hướng tín hiệu mong muốn trong tọa độ
cực với M =4 .............................................................................................................64
Hình 5.13 Đồ thị bức xạ dùng GSC cho hai hướng tín hiệu mong muốn trong tọa độ
Decard với M =5 .......................................................................................................65
Hình 5.14 Đồ thị bức xạ dùng GSC cho hai hướng tín hiệu mong muốn trong tọa độ
cực với M =5 .............................................................................................................67
Hình 5.15 Xác suất nghẽn theo lưu thoại dùng GSC cho hai hướng tín hiệu mong
muốn..........................................................................................................................69
Hình 5.16 Đồ thị bức xạ dùng GSC cho ba hướng tín hiệu mong muốn trong tọa độ
Decard với M =5 .......................................................................................................70
Hình 5.17 Đồ thị bức xạ dùng GSC cho ba hướng tín hiệu mong muốn trong tọa độ
cực với M =5 .............................................................................................................72
Hình 5.18 Đồ thị bức xạ dùng GSC cho ba hướng tín hiệu mong muốn trong tọa độ
Decard với M =6 .......................................................................................................73
Hình 5. 19 Đồ thị bức xạ dùng GSC cho ba hướng tín hiệu mong muốn trong tọa độ
cực với M =6 .............................................................................................................74
Hình 5.20 Xác suất nghẽn theo lưu thoại cho SDMA ba lần tái sử dụng tần số dùng
GSC ...........................................................................................................................76


Danh mục các bảng
Bảng 5.1 Xác suất nghẽn theo lưu thoại cho SDMA hai lần tái sử dụng tần số dùng LCMV
với 10 nguồn tài nguyên (L = 10) .............................................................................................54
Bảng 5.2 Xác suất nghẽn theo lưu thoại cho SDMA ba lần tái sử dụng tần số dùng LCMV với
10 nguồn tài nguyên (L = 10) ...................................................................................................60
Bảng 5.3 Xác suất nghẽn theo lưu thoại cho SDMA hai lần tái sử dụng tần số dùng GSC với
10 nguồn tài nguyên (L = 10) ...................................................................................................69
Bảng 5.4 Xác suất nghẽn theo lưu thoại cho SDMA ba lần tái sử dụng tần số dùng GSC với
10 nguồn tài nguyên (L = 10) ...................................................................................................76

Các từ viết tắt
LCMV
GSC
FDMA
TDMA
CDMA
SDMA
SIR
MVDR
DCA
FCA
ULA
URA
UCA

Linearly Constrained Minimum Variance
Generalized Sidelobe Cancelers
Frequency Division Multi Access
Time Division Multi Access
Code Division Multi Access
Space Division Multi Access
Signal Interference Ratio
Minimum Variance Distortionless Response
Dynamic Chnannel Assignment
Fixed Channel Assignment
Uniform Linear Array
Uniform Rectangular Array
Uniform Circular Array

Ứng dụng kỹ thuật SDMA giải quyết tắc nghẽn
trong mạng thông tin di động

GVHD: TS. Đỗ Hồng Tuấn

Chương 1
GIỚI THIỆU

1.1 Đặt vấn đề:
Sự bùng nổ nhu cầu thông tin vô tuyến nói chung và thơng tin di động nói riêng
trong các năm gần đây đã thúc đẩy sự phát triển của công nghệ thông tin vô tuyến.
Nhiều kỹ thuật đã được đưa ra để đáp ứng nhu cầu tăng nhanh này.
Các kỹ thuật đa truy cập lần lượt ra đời như : đa truy cập phân chia theo tần số
(Frequency Division Multi Access - FDMA), đa truy cập phân chia theo thời gian
(Time Division Multi Access - TDMA), đa truy cập phân chia theo mã (Code Division
Multi Access - CDMA).
Việc sử dụng hiệu quả lại phổ tần số cũng có ý nghĩa quan trọng trong việc tăng
dung lượng hệ thống. Đã có nhiều biện pháp được đưa ra như : chia cell (cell spitting),
sector hóa, mượn kênh (channel borrowing), gán kênh động (dynamic channel
assignment) …
Song tất cả các biện pháp này đều có những khuyết điểm riêng:
+ Phương pháp chia cell sẽ làm thay đổi cấu trúc của cell ban đầu và tốn
nhiều chí phí lắp BTS cho các cell nhỏ [7][9].
+ Phương pháp sector hóa cần sử dụng thêm nhiều anten và mang tính
cứng ngắt, khi thay đổi vùng sector hóa, phải thay đổi cả phần cứng [9]
+ Phương pháp mượn kênh hay phương pháp gán kênh động phụ thuộc
vào cell kế cận và còn ảnh hưởng đến các cell đồng kênh khác của cell kế cận để
đảm bảo tính can nhiễu. [7],[9],[10],[11],[12]

Giới thiệu

1

HVTH: Phan Thị Thanh Bình


Ứng dụng kỹ thuật SDMA giải quyết tắc nghẽn
trong mạng thơng tin di động

GVHD: TS. Đỗ Hồng Tuấn

Do đó, một kỹ thuật mới đang được nghiên cứu và ứng dụng để hổ trợ cho các
hệ thống hiện tại và hệ thống mới. Đó là kỹ thuật đa truy cập phân chia theo không
gian (Space Division Multi Access - SDMA)[8] .
SDMA là một kỹ thuật làm tăng dung lượng của một hệ thống vô tuyến bằng
cách sử dụng thông tin không gian giữa các người sử dụng (như hướng đến, hướng
phát của nguồn tín hiệu). Trạm gốc khơng truyền tín hiệu đến tồn bộ diện tích cell,
như trong các kỹ thuật truy cập có trước, thay vào đó tập trung cơng suất theo hướng
của thuê bao mà tín hiệu hướng vào, giảm cơng suất theo các hướng có các th bao
khác. Hiện nay kỹ thuật này có thể hiện thực bằng cách sử dụng hệ thống anten thông
minh (smart antennas).
Anten thông minh là một hệ thống anten kết hợp với một bộ xử lý tín hiệu số
[2],[3],[4]. Anten thơng minh có thể làm giảm nhiễu giao thoa đồng kênh bằng cách
hướng búp sóng có độ lợi cao về hướng mong muốn và độ lợi thấp về hướng không
mong muốn. Với hệ thống anten thơng minh, ta có thể tái sử dụng tần số trong cùng
một cell. Do đó, anten thơng minh làm tăng hiệu suất sử dụng băng thông và tăng dung
lượng mà khơng cần thay đổi cấu trúc vốn có của hệ thống.
1.2 Phạm vi nghiên cứu của đề tài:

Như vậy anten thơng minh có vai trị quan trọng trong vấn đề tăng dung lượng
hệ thống và kiểm soát nhiễu giao thoa đồng kênh
Trong luận văn này, chúng tôi sẽ ứng dụng hai bộ tạo búp sóng: LCMV
(Linearly Constrained Minimum Variance)[1] và GSC (Generalized Sidelobe
Cancelers)[1] để tạo búp sóng động cho dãy anten nhằm giải quyết tắc nghẽn cho một
vùng nhỏ có sự tăng đột biến về dung lượng.
Các bộ tạo búp sóng này sẽ lần lượt được mơ phỏng cho trường hợp SDMA với
hai lần tái sử dụng tần số trong một cell (SDMA 2) và ba lần tái sử dụng tần số trong
một cell (SDMA 3).

Giới thiệu

2

HVTH: Phan Thị Thanh Bình


Ứng dụng kỹ thuật SDMA giải quyết tắc nghẽn
trong mạng thông tin di động

GVHD: TS. Đỗ Hồng Tuấn

1.3 Phân bố nội dung:
Phần trình bày của luận văn gồm sáu chương:
Chương 1: Giới thiệu chung và phạm vi nghiên cứu của đề tài.
Chương 2: Các biện pháp giảm nghẽn cho hệ thống và các lý thuyết về anten thông
minh.
Chương 3: Giới thiệu về các thuật tốn tạo búp sóng tối ưu.
Chương 4: Trình bày cơng thức tính hai độ đo: xác suất nghẽn và tỉ số tín hiệu trên
nhiễu (SIR)

Chương 5: Các kết quả mô phỏng về hai bộ tạo búp sóng LCMV và GSC
Chương 6 : Kết luận và hướng phát triển của đề tài.

Giới thiệu

3

HVTH: Phan Thị Thanh Bình


Ứng dụng kỹ thuật SDMA giải quyết tắc nghẽn
trong mạng thông tin di động

GVHD: TS. Đỗ Hồng Tuấn

Chương 2
CÁC PHƯƠNG PHÁP GIẢM NGHẼN
HỆ THỐNG - KỸ THUẬT SDMA
2.1 Mở chương:
Nguồn tài nguyên tần số có giới hạn trong khi số lượng người sử dụng mạng
không dây và đặc biệt là thông tin di động ngày càng tăng cao. Để đáp ứng được
nhu cầu tăng nhanh này, “ tái sử dụng tần số” đã ra đời. Việc sử dụng lại tần số sẽ
tăng dung lượng đáng kể cho hệ thống.
Chương này sẽ trình bày các phương pháp nhằm “tái sử dụng tần số” giúp
giảm nghẽn cho hệ thống.
2.2 Các phương pháp giảm nghẽn truyền thống:
2.2.1 Chia cell (cell splitting) [7]:
Chia cell là quá trình chia cell hiện tại thành nhiều cell nhỏ hơn nhằm mục
đích sử dụng lại tần số. Việc chia cell nhỏ hơn đồng nghĩa với việc thu nhỏ vùng
phủ sóng.

Để thực hiện được điều này, ta có thể giảm chiều cao anten phát hoặc phát
với công suất nhỏ hơn. Mục đích của việc sử dụng lại tần số là tăng số kênh sử dụng
nhằm tăng số lượng người dùng. Các khu vực thành thị có yêu cầu thuê bao cao,
dung lượng lớn, mật độ dày sẽ được chia cell nhỏ hơn các vùng nơng thơn có mật
độ th bao thưa, dung lượng không cao.

Các phương pháp giảm nghẽn
Kỹ thuật SDMA

4

HVTH: Phan Thị Thanh Bình


Ứng dụng kỹ thuật SDMA giải quyết tắc nghẽn
trong mạng thơng tin di động

GVHD: TS. Đỗ Hồng Tuấn

(a)

(b)
Hình 2.1 Q trình chia cell
2.2.2 Sector hóa [9]:
Lúc này ta sẽ sử dụng anten có hướng thay cho anten đẳng hướng (ví dụ
sector hóa 1200) để phân cell thành nhiều dải quạt.

Các phương pháp giảm nghẽn
Kỹ thuật SDMA

5

HVTH: Phan Thị Thanh Bình


Ứng dụng kỹ thuật SDMA giải quyết tắc nghẽn
trong mạng thơng tin di động

GVHD: TS. Đỗ Hồng Tuấn

Hình 2.2 Dùng anten có hướng để sector hóa cell
(a) anten 1200 (b) anten 600
Bằng cách này ta lảm tăng số lượng kênh sử dụng, giảm được nhiễu đồng
kênh nhưng phải sử dụng nhiều anten.
2.2.3 Mượn kênh (channel borrowing) [7],[9]:

Hình 2.3 Quá trình mượn kênh
Q trình mượn kênh có thể được mơ tả qua hình 2.3.
Xét một mạng tế bào như hình 2.3:
Cell 4 là cell có dung lượng tăng đột biến (hot-spot), cell 3 là cell kế cận
(donor) và có tải nhỏ.
Các phương pháp giảm nghẽn
Kỹ thuật SDMA

6

HVTH: Phan Thị Thanh Bình


Ứng dụng kỹ thuật SDMA giải quyết tắc nghẽn

trong mạng thông tin di động

GVHD: TS. Đỗ Hồng Tuấn

X là tập hợp các kênh sử dụng cho cell 4, Y và Z là tập hợp các kênh sử
dụng cho cell 3 (ở trạng thái bình thường, chưa cho cell 4 mượn kênh).
Khi tải cell 4 tăng lên, cell 4 sẽ mượn các kênh Z từ cell 3.
Cell 8 và cell 9 là các cell đồng kênh (interfering cell) của cell kế cận (cell
3), các cell 8 và 9 này cũng sử dụng các kênh Y và Z. Nếu cả cell 3, 8 và 9 cùng sử
dụng đồng thời kênh Z sẽ gây ra nhiễu đồng kênh. Để giảm nhiễu đồng kênh, ta sẽ
sector hóa các cell như hình sau:

Hình 2.4 Giảm nhiễu cho quá trình mượn kênh bằng phương pháp sector hóa
Hình 2.4 là phương pháp giảm nhiễu cho q trình mượn kênh bằng phương
pháp sector hóa. Kênh mượn Z chỉ được sử dụng trong sector A của cell 3 đồng thời
sector A trong các cell 8 và 9 chỉ sử dụng kênh Y, kênh Z trong các cell 8 và 9 này
sẽ được sử dụng trong sector B và C để giảm can nhiễu đồng kênh
Nhận xét: Phương pháp này khơng địi hỏi chi phí nhiều nhưng phụ thuộc
vào tải cell kế cận và khi mượn kênh, sẽ ảnh hưởng đến việc sử dụng kênh của các
cell đồng kênh với cell kế cận đó.
Các phương pháp giảm nghẽn
Kỹ thuật SDMA

7

HVTH: Phan Thị Thanh Bình


Ứng dụng kỹ thuật SDMA giải quyết tắc nghẽn
trong mạng thông tin di động

GVHD: TS. Đỗ Hồng Tuấn

2.2.4 Gán kênh động (Dynamic Channel Assignment - DCA)[7][9][11] :
Gán kênh cố định (Fixed Channel Assignment – FCA) nghĩa là gán những
tần số cụ thể cho những cell cụ thể. Nhưng vấn đề phát sinh là những cell khác nhau
có nhu cầu về tần số khác nhau và đôi khi ở những thời điểm khác nhau. Khi đó
người ta gán động loại trừ tính cứng ngắt trong quy hoạch tần số. Đồng thời đó cũng
là cách để sử dụng nguồn tài nguyên tần số một cách hiệu quả hơn. DCA cho phép
số kênh trong một cell thay đổi tùy theo lưu lượng sử dụng, do đó tăng dung lượng
với chi phí thấp.
Xét mạng tế bào như hình 2.3 và hình 2.4, tương tự như q trình mượn
kênh: Cell 3 là cell có dung lượng tăng đột biến (hot-spot cell), cell 4 là cell kế cận
của cell 3 (donor cell). Quá trình gán kênh động có thể được minh họa qua hình vẽ
sau:

Hình 2.5 Qúa trình gán kênh động
Các phương pháp giảm nghẽn
Kỹ thuật SDMA

8

HVTH: Phan Thị Thanh Bình


Ứng dụng kỹ thuật SDMA giải quyết tắc nghẽn
trong mạng thông tin di động

GVHD: TS. Đỗ Hồng Tuấn

Các cuộc gọi trong cell kế cận (donor cell) trước tiên sẽ sử dụng các kênh
trong Y, nếu các kênh trong Y đã sử dụng hết, sẽ sử dụng các kênh trong Z (quy luật
φ2 )

Các cuộc gọi trong sector B và C của cell có dung lượng tăng đột biến sẽ sử
dụng các kênh trong X.
Các cuộc gọi trong sector A của cell có dung lượng tăng đột biến sẽ đăng ký
các kênh trong X hoặc Z sao cho số kênh chưa sử dụng trong cell có dung lượng
tăng đột biến xấp xỉ với số số kênh chưa sử dụng trong cell kế cận cộng với ∆ ( ∆
được chọn sao cho xác suất nghẽn cả hai cell là nhỏ nhất).
λ H và λD lần lượt là lưu thoại trong cell có dung lượng tăng đột biến và cell

kế cận của nó
i, j và k lần lượt là lần lượt là số lượng các kênh đã sử dụng trong X, Y, Z.
Khi có một kênh cần đăng ký, quy luật φ1 được hiểu như sau:
+ Nếu ( i = |X| và k < |Z|) hoặc (i < |X| và k = |Z|), sẽ đăng ký một kênh
trong bộ kênh còn trống
+ Nếu (i < |X| và k < |Z|), đăng ký một kênh trong X hoặc Z tùy theo:
Nếu (|X| - i) > (|Y| + |Z| - j – k) + ∆ sẽ đăng ký kênh trong X
Nếu (|X| - i) < (|Y| + |Z| - j – k) + ∆ sẽ đăng ký kênh trong Z
2.2.5 Chồng cell (cell overlaying) [7][9][10]:
Một cell lớn sẽ bao bọc quanh nhiều cell nhỏ, cell lớn sử dụng một số kênh
nhất định nào đó, các kênh còn lại trong cell lớn sẽ được sử dụng cho các cell nhỏ.
Phương pháp này tốn nhiều chi phí vì phải lắp thêm các BTS cho các cell
nhỏ bên trong.

Các phương pháp giảm nghẽn
Kỹ thuật SDMA

9

HVTH: Phan Thị Thanh Bình


Ứng dụng kỹ thuật SDMA giải quyết tắc nghẽn
trong mạng thơng tin di động

GVHD: TS. Đỗ Hồng Tuấn

Hình 2.6 Q trình chồng cell
Tóm lại, tất cả các phương pháp trên đều làm tăng dung lượng hệ thống, tuy
nhiên chúng ta phải tốn nhiều chi phí, hoặc phải thay đổi cấu trúc của hệ thống ban
đầu, hoặc phụ thuộc vào lưu lượng của cell lân cận. Do đó một phương pháp mới đã
được ngiên cứu và đưa ra, đó là đa truy cập phân chia theo không gian (Space
Division Multi Access – SDMA).

2.3 Kỹ thuật đa truy cập phân chia theo không gian (SDMA):
2.3.1 Khái niệm SDMA[8]:
SDMA là một kỹ thuật có thể tăng dung lượng của một hệ thống vơ tuyến di
động bằng cách sử dụng khoảng không gian giữa các người sử dụng (ví dụ như
hướng đến, hướng phát của nguồn tín hiệu). Trạm gốc khơng truyền tín hiệu đến
tồn bộ diện tích cell, như trong các kỹ thuật truy cập có trước, thay vào đó tập
trung cơng suất theo hướng của thuê bao mà tín hiệu hướng vào, giảm cơng suất
theo các hướng có các đơn vị khác. Kỹ thuật này được thực hiện bằng hệ thống
anten thông minh.
Hệ thống anten thông minh cho phép một trạm phủ sóng có thể liên lạc với
hai hay nhiều thuê bao sử dụng cùng một tần số khi sử dụng công nghệ đa truy nhập
Các phương pháp giảm nghẽn
Kỹ thuật SDMA

10

HVTH: Phan Thị Thanh Bình


Ứng dụng kỹ thuật SDMA giải quyết tắc nghẽn
trong mạng thông tin di động

GVHD: TS. Đỗ Hồng Tuấn

phân chia theo khơng gian (SDMA), do đó cho phép hệ thống sử dụng các tài
nguyên mạng hiệu quả hơn.
2.3.2 Giới thiệu anten thông minh
2.3.2.1 Một số khái niệm cơ bản [2] [3][4]:
+ Anten (Antenna) là thiết bị dùng để truyền năng lượng trường điện từ giữa máy
phát và máy thu mà không cần bất kỳ phương tiện truyền dẫn tập trung như cáp
đồng, ống dẫn sóng hay sợi quang.
+ Anten đẳng hướng (Omnidirectional Antenna) có đồ thị bức xạ như nhau trên tất
cả mọi hướng, có nghĩa là khả năng thu phát thông tin theo mọi hướng là như nhau.
Anten đẳng hướng phân tán năng lượng như nhau theo các hướng làm cho năng
lượng hữu dụng đến với người sử dụng mong muốn chỉ là một phần rất nhỏ năng
lượng được gởi vào môi trường. Trong trường hợp với một số lượng lớn người sử
dụng (và người gây nhiễu), các tín hiệu không đến được người sử dụng mong muốn
sẽ trở thành nhiễu đối với những người sử dụng khác.
+ Anten định hướng (Directional antenna) được thiết kế để có các hướng truyền và
nhận cố định. Các vùng phủ sóng của một tháp anten thường được chia ra (hay phân
vùng) thành các tế bào (cell). Thí dụ, một vùng 360o thường được chia thành ba
vùng con 120o, mỗi vùng được phủ sóng tập trung hơn bởi một anten. Điều này làm
tăng độ lợi trong một tầm cố định theo góc phương vị so với anten đẳng hướng.
2.3.2.2 Anten thông minh [2][3][4]:

Anten thông minh là một hệ thống gồm nhiều phần tử anten kết hợp với khả năng
xử lý tín hiệu để tối ưu hóa phát xạ hoặc thu nhận tự động đáp ứng với mơi trường
tín hiệu.
Tất cả các hệ thống anten thông minh đều bao gồm hai khối cơ bản:
+ Khối xử lí cứng: gồm các mạch cao tần, anten, điều chế/ giải điều chế,
A/D…
Các phương pháp giảm nghẽn
Kỹ thuật SDMA

11

HVTH: Phan Thị Thanh Bình