Tối ưu hóa gán kênh cố định cho các mạng di động tế bào

bộ giáo dục và đào tạo

bộ quốc phòng

học viện kỹ thuật quân sự

Trần anh tấn

tối u hoá gán kênh cố định cho
các mạng di động tế bào

luận văn thạc sĩ Kü thuËt

Hµ Néi- 2005


bộ giáo dục và đào tạo

bộ quốc phòng

học viện kỹ thuật quân sự

Trần anh tấn

tối u hoá gán kênh cố định cho
các mạng di động tế bào

Chuyên ngành: Kỹ thuật Vô tuyến điện tử và thông tin liên lạc
M số: 2.02.03

luận văn thạc sĩ Kỹ Thuật

ngời hớng dẫn khoa học:

TS Đỗ quốc trinh

..

Hà Nội - 2005


bộ giáo dục và đào tạo

bộ quốc phòng

học viện kỹ thuật quân sự

luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Tên đề tài: Tối u hoá gán kênh cố định cho các mạng di động tế bào
Chuyên ngành: Kỹ thuật Vô tuyến điện tử và thông tin liên lạc
MÃ số:

2.02.03

Ngày giao đề tài luận văn:

21 - 10 - 2004

Ngày hoàn thành luận văn:

16 - 5 - 2005

Ngời thực hiện:
Họ và tên : Trần Anh Tấn
Lớp: Cao học KT VTĐT và TTLL

Khoá:15

Hệ đào tạo: Tập trung

Cán bộ hớng dẫn:
Họ và tên: Đỗ Quốc Trinh

Cấp bậc: Thợng tá

Học hàm, học vị: Tiến sỹ

Đơn vị công tác: Học viện KTQS

Hà Nội - 2005


Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt

BER

Bit Error Ratio

Tỷ lệ lỗi bit

BS

Base Station

Trạm cơ sở

CDMA Code Division Multiple

Đa truy nhập phân chia theo mÃ

Access
CR

Node-Color Re-ordering

Thứ tự lại màu nút

CSI

Channel State Information

Thông tin trạng thái kênh

DCA

Dynamic Channel Assignment Gán kênh động

DPA

Dynamic Packet Assignment

Gán gói động

DR

Node-Degree Re-ordering

Thứ tự lại cấp độ nút

F

Frequency Exhaustive

Chiến lợc vét cạn tần số

Strategy
Gán kênh cố định

FCA

Fixed Channel Assignment

FDD

Frequency Division Duplexing Song công phân chia theo tần số

FEC

Forward Error Correction

Sửa lỗi hớng đi

FFT

Fast Fourier Transform

Biến đổi Fourier nhanh

GA

Genetic Algorithms

Thuật toán di truyền

LA

Link Adaptation

Thích nghi đờng truyền


LB

Lower Bound

Cận dới

LOS

Line Of Sight

Tầm nhìn thẳng

MS

Mobile Station

Máy di động

NP

Network Performance

Chất lợng mạng

OFDM

Orthogonal Frequency

Ghép kênh phân chia theo tần số trực

Division Multiplexing

giao

PN

Pseudorandom Noise

Tạp âm giả ngẫu nhiên

QAM

Quadrature Amplitude

Điều chế biên độ cầu phơng

Modulation
QoS

Quality of Service

Chất lợng dịch vụ

R

Requirement Exhaustive

Chiến lợc vét cạn yêu cầu

Strategy
RF

Radio Frequency

Tần số vô tuyến

SA

Simulated Annealing

Kỹ thuật ủ mô phỏng

SMK

K.N. Sivarajan, R.J. McEliece

Ba tác giả trong [26]

and J.W. Ketchum
Tỷ số tín hiệu trên tạp âm

SNR

Signal - to - Noise Ratio

SINR

Signal - to - Interference Noise Tû sè tín hiệu trên tạp âm xuyên
Ratio

nhiễu

SIR

Signal - to - Interference Ratio Tû sè tÝn hiƯu trªn xuyªn nhiƠu

TDD

Time Division Duplexing

Song công phân chia theo thời gian


TDMA

UMTS

Time Division Multiple

Đa truy nhập phân chia theo thời

Access

gian

Universal Mobile

Dịch vụ viễn thông di động toàn cầu

Telecommunications Service
UTRA

UMTS Terrestrial Radio
Access

Truy nhập vô tuyến mặt đất UMTS


Mục lục

Trang
Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt
Mục lục
Danh mục các bảng

I
IV
VIII

Danh mục các hình vẽ, đồ thị

IX

Mở đầu

1

Chơng 1: Giới thiệu chung

3

1.1 Khái niệm tế bào

3

1.1.1 Tái sử dụng kênh trong các mạng tế bào

5

1.1.2 Sự chia tách tế bào

9

1.1.3 Chuyển giao

10

1.2. Gán kênh

11

Chơng 2: Các chiến lợc gán kênh

13

2.1 Gán kênh cố định cho các mạng tế bào

13

2.1.1 Tỷ số S/I mục tiêu

15

2.1.2 Khoảng cách sử dụng lại tần số

18

2.1.3 Sắp xếp tế bào và các mẫu gán kênh

19

2.2 Gán kênh động

23


2.2.1 DCA tập trung

25

2.2.2 DCA không tập trung

25

2.2.3 Chia tách kênh

28

2.2.4. Gán gói động

31

2.2.5 DCA đối với các mạng UTRA-TDD

32

2.3 Tối u hoá gán kênh trong các mạng tế bào

33

2.3.1 Phơng pháp hạ xuống dốc nhất

35

2.3.2 Phơng pháp ủ mô phỏng

35

2.3.3 Phơng pháp thuật toán di truyền

37

2.3.4 Gán kênh trong các hệ thống W- CDMA

37

2.4 Dung lợng mạng tế bào và các phơng pháp nâng cao

38

dung lợng
2.4.1 Anten thích nghi

39

2.4.2 Phát hiện đồng thời

40

2.4.3 Thích nghi đờng truyền

41

2.5 Kết luận

42

Chơng 3: Tối u hoá gán kênh cố định trong mạng

44

di ®éng tÕ bµo
3.1 Giíi thiƯu

44


3.2 Xây dựng bài toán

47

3.3 Những quy tắc kinh nghiệm cơ bản

50

3.3.1 Hai phơng pháp sắp xếp tế bào

50

3.3.2 Hai chiến lợc gán kênh

51

3.4 Gán kênh với việc sắp xếp lại tế bào

51

3.4.1 Bốn thuật toán gán kênh

51

3.4.2 Độ phức tạp

54

3.4.3 Ví dụ

54

3.5 Tối u việc gán kênh tại các điểm nóng

57

3.5.1 Chiến lợc F và chiến lợc R

57

3.5.2 Chiến lợc FR

59

3.6 Đánh giá chất lợng

63

3.6.1 Chất lợng của thuật toán F/CR, F/DR, R/CR và R/DR

67

3.6.2 ảnh hởng của X và Y đối với chất lợng của các thuật

68

toán FR/CR và FR/DR
3.6.3 Chất lợng của các thuật toán FR/CR và FR/DR

68

3.7 Kết luận

69

Kết luận

70

Tài liệu tham khảo


Danh mục các bảng

Trang
Bảng 3.1 Phạm vi tần số nhận đợc bởi F/CR, F/DR, R/CR và

65

R/DR
Bảng 3.2 Phạm vi tần số nhận đợc bởi FR/CR và FR/DR với

66

(7,2,5) và yêu cầu kênh trờng hợp I
Bảng 3.3 Phạm vi tần số nhận đợc bởi FR/CR và FR/DR với
0 X 5 vµ 1 ≤ Y ≤ 3

66


Danh mục các hình vẽ, đồ thị

Trang
Hình 1.1 Mạng tế bào lục giác

5

Hình 1.2 Sử dụng lại kênh

7

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

Hình 2.2. Phân bố xác suất suy giảm đối với mô hình pha-đinh phân bố

15
17

Rice với hệ số k biến đổi
Hình 2.3 Xác suất mức tín hiệu pha-đinh chuẩn lôga

17

Hình 2.4 Sắp xếp băng tần số trong nhóm 7 tế bào và 3 sector trên một tế

22

bào
Hình 2.5 Hiệu quả phổ tần của DCA lý tởng đợc so sánh với CDMA

27

Hình 2.6 Lu đồ thuật toán chia tách kênh DCA

30

Hình 2.7 (a) Các đờng tính toán xuyên nhiễu FDD

32

(b) Các đờng tính toán xuyên nhiễu TDD
Hình 3.1 Gán kênh cố định trong hệ thống di động tế bào

Hình 3.2 Kế hoạch gán kênh cho hệ thống 3 tế bào
(a) Hệ thống 3 tế bào A, B, C
(b) Không sắp xếp lại tế bào
(c) Có sắp xếp lại tế bào và phơng pháp quyết định thứ

48
55-56


nhất
(d) Có sắp xếp lại tế bào và phơng pháp quyết định thứ
hai
Hình 3.3 Mạng 21 tế bào với 2 trờng hợp yêu cầu kênh
(a) Yêu cầu kênh trờng hợp I
(b) Yêu cầu kênh trờng hợp II

64


Mở đầu
Trong hai thập kỷ qua, nhu cầu phát triển điện thoại vô tuyến và các dịch vụ
dữ liệu vô tuyến ngày càng tăng mạnh. Nhu cầu các dịch vụ vô tuyến của mạng tế
bào đang tăng với tốc độ rất cao trong mỗi năm và tại những vùng đô thị nhu cầu
này đà vợt quá dung lợng khả dụng. Nhiều kỹ thuật khác nhau đợc sử dụng để
tăng dung lợng hệ thống. Các kỹ thuật đợc sử dụng bao gồm chia nhỏ tế bào, chỉ
định phổ tần mới, các phơng pháp đa truy cập mới (TDMA, CDMA) và gán kênh
động. Đối với hệ thống tế bào với phổ tần cố định đợc gán và sử dụng công nghệ
ghép kênh cơ thĨ, dung l−ỵng cđa mét hƯ thèng phơ thc vào hiệu quả của chiến
lợc gán kênh đà sử dụng. Mặc dù có rất nhiều đề xuất đối với chiến lợc gán kênh
động, tất cả các hệ thống tế bào hiện có đều sử dụng gán kênh cố định vì hiệu quả

chi phí của nó và chất lợng dịch vụ có thể dự đoán trớc. Chính vì vậy, tối u gán
kênh cố định là vấn đề đợc đặc biệt quan tâm đối với các mạng di động tế bào. ở
nớc ta hiện nay, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của mạng viễn thông, mạng
thông tin di động tế bào đà trở thành một phần cơ sở hạ tầng thông tin không thể
thiếu đợc. Xuất phát từ lý do đó, tôi chọn đề tài: Tối u hoá gán kênh cố định
cho các mạng di động tế bào cho luận văn của mình.
Bố cục luận văn gồm các phần sau:
- Chơng 1: Giới thiệu tổng quan về mạng tế bào, bao gồm các vấn đề cơ bản
nh tái sử dụng kênh, chia tách tế bào, chuyển giao và bài toán gán kênh cho mạng.
- Chơng 2: Giới thiệu các chiến lợc gán kênh và một số kỹ thuật nâng cao
dung lợng mạng di động tế bào. Trong đó đi vào phân tích hai chiến lợc gán
kênh là: gán kênh cố định (FCA) và gán kênh động (DCA). Các phơng pháp tăng
dung lợng mạng nh anten thích nghi, phát hiện đồng thời, thích nghi đờng
truyền đợc giới thiệu một cách cơ bản nhÊt.


- Chơng 3: Nghiên cứu ý tởng cơ bản của việc sắp xếp các tế bào thành danh
sách có thứ tự, sau đó thực hiện gán kênh. Xem xét bài toán gán kênh cố định, vấn
đề gán kênh có sắp xếp lại tế bào, tối u hoá gán kênh tại các điểm nóng. Tổng
cộng có sáu thuật toán gán kênh, cụ thể là các thuật toán F/CR, F/DR, R/CR,
R/DR, FR/CR và FR/DR đà đợc đề xuất.
Cuối cùng là đánh giá và kết luận về việc tối u gán kênh cố định cho các
mạng di động tế bào.


Chơng 1
Giới thiệu chung
Thông tin vô tuyến tế bào đà trở thành một phần quan trọng của cơ sở hạ
tầng thông tin. Mặt khác, phổ tần vô tuyến cấp phát cho hệ thống di động tế bào là
hạn chế. Kết quả là, các tần số vô tuyến phải đợc sử dụng một cách hiệu quả để

thoả mÃn những yêu cầu ngày càng cao. Trong luận văn này, chúng ta nghiên cứu
vấn đề gán kênh: làm thế nào để gán các kênh vô tuyến cho các cuộc gọi trong một
mạng thông tin di động tế bào.
Sau đây là một số kiến thức cơ bản về các mạng tế bào và trình bày một cách
khái quát vấn đề gán kênh.
1.1 Khái niệm tế bào
Sự tăng trởng mạnh mẽ của thông tin di động không thể đạt đợc thành tựu
nếu không sử dụng khái niệm tế bào. Trớc đó, việc tiếp cận đối với thông tin di
động là khá giống với truyền thanh vô tuyến hay truyền hình quảng bá: việc phủ
sóng một khu vực đợc cung cấp bằng cách lắp đặt một máy phát công suất cao
trên điểm cao nhất của khu vực và truyền đi tín hiệu tới tới toàn bộ vùng phủ sóng.
Phổ tần vô tuyến khả dụng đợc chia tách thành nhiều kênh, mỗi kênh đợc dành
cho một ngời sử dụng cụ thể và tất cả ngời sử dụng liên kết tới cùng máy phát.
Số ngời sử dụng bị giới hạn bởi số lợng kênh khả dụng, số lợng kênh khả dụng
này bị khoá trong toàn bộ khu vực phủ sóng bởi một số lợng nhỏ các cuộc gọi. Ví
dụ, một nhà cung cấp dịch vụ điện thoại vô tuyến phục vụ 10.000 khách hàng sẽ
cần 10.000 kênh khác nhau để thực hiện, mặc dù chỉ có một phần nhỏ trong số
chúng sẽ thực sự đợc sử dụng tại thời điểm cho trớc bất kỳ.
Số kênh yêu cầu có thể giảm xuống bằng cách tái sử dụng các kênh vô tuyến
về thời gian và không gian. Việc tái sử dụng về thời gian (còn đợc gọi là
trunking), có nghĩa là sử dụng các kênh nh nhau cho các ngời dùng khác nhau tại
các thời điểm khác nhau. Thiết bị đầu cuối sẽ đợc gán một kênh chỉ khi nó yªu


cầu cho cuộc gọi. Mặc dù trunking có thể sử dụng tài nguyên phổ tần vô tuyến một
cách hiệu quả hơn, dung lợng hệ thống vẫn còn khá hạn chế. Số lợng các cuộc
gọi đồng thời bị giới hạn bởi số lợng các kênh khả dụng. Vì phổ tần vô tuyến là
một nguồn tài nguyên quý hiếm nên chính điều này giới hạn dung lợng hệ thống
khá nhiều. Ví dụ, hệ thống di động tế bào Bell của thành phố New York trong
những năm 1970 đà sử dụng điện thoại trunking, chỉ có thể hỗ trợ cho 12 cuộc gọi

đồng thêi. H−íng tiÕp cËn kh¸c cđa viƯc sư dơng c¸c kênh vô tuyến một cách hiệu
quả hơn là việc tái sử dụng kênh về không gian. Các ngời dùng có thể sử dụng
cùng kênh tại cùng thời điểm trong khu vực địa lý không liền kề. Việc tái sử dụng
các kênh về không gian là không thể trong một mạng quảng bá đợc tập trung,
nhng thay vào đó mạng đợc cấu trúc lại theo một kiểu phân tán.
Việc tái sử dụng kênh về không gian là một trong những khái niệm chủ yếu
đợc sử dụng bởi một mạng tế bào để đạt đợc hiệu quả trong việc sử dụng tài
nguyên phổ tần. Hai đặc điểm chính khác của các mạng tế bào là sự chia tách tế
bào để giải quyết những yêu cầu tăng cao và chuyển giao của các cuộc gọi di
chuyển từ tế bào này đến tế bào khác. Sau đây ta sẽ miêu tả chi tiết hơn mỗi đặc
điểm này.


Hình 1.1 Mạng tế bào lục giác
1.1.1 Tái sử dụng kênh trong các mạng tế bào
Để đạt một hiệu quả cao hơn trong việc sử dụng kênh thông qua việc tái sử dụng
kênh về không gian, vùng phục vụ đợc chia thành nhiều khu liền kề. Một tế bào
đợc xem nh là vùng phủ sóng tơng đơng của một khu vực địa lý cụ thể. Mỗi tế
bào đều có máy phát riêng đảm bảo thông tin vô tuyến với máy di động trong vùng
nội hạt của nó và nối tới trung tâm bằng dây. Khái niệm tế bào đợc miêu tả ở trên
đợc giới thiệu đầu tiên bởi MacDonald [21] sử dụng hình tế bào lục giác để biểu
diễn một tế bào nh trong hình 1.1. Lý do chọn cấu trúc tế bào lục giác là trong số
tất cả các cấu trúc hình lục cùng có bán kính để có thể bao phủ một vùng mà không
cần bất cứ khoảng trống nào, thì hình lục giác có diện tích lớn nhất.
Không giống nh các cách tiếp cận quảng bá truyền thống, ý tởng tế bào giải
quyết vấn đề phủ sóng hoàn toàn khác. Thay vì bao phủ một vùng rộng với chỉ một
máy phát công suất cao, một mạng tế bµo cung cÊp vïng phđ sãng b»ng sư dơng rÊt
nhiỊu máy phát công suất thấp, mỗi máy phát đợc thiết kế một cách đặc biệt để

phục vụ chỉ một vùng (tế bào) nhỏ và bán kính không quá vài trăm mét. Bằng việc
chia tách khu vùc phđ sãng ra thµnh nhiỊu tÕ bµo nhá víi mỗi máy phát của chính
nó, có thể (tối thiểu là về mặt lý thuyết) tái sử dụng các kênh nh nhau trong các tế
bào khác nhau trong phạm vi vùng phục vụ.
Các tế bào nhỏ với việc tái sử dụng kênh có thể tăng khả năng lu lợng một
cách thực sự. Để hiểu rõ điều này, có thể tởng tợng rằng có 12 kênh khả dụng
trong một thành phố và thành phố đợc bao phủ bởi 100 tế bào. Nếu tất cả các kênh
có thể đợc tái sử dụng trong mỗi tế bào, thì với cùng 12 kênh, thay vì 12 cuộc gọi
đồng thời trong toàn bộ thành phố sẽ là 12 kênh cho mỗi tế bào và 1200 cuộc gọi
đồng thời trong thành phố.
Tuy nhiên, trong thực tế việc tái sử dụng nh thế là không thể. Nếu cùng kênh
đợc sử dụng trong 2 tế bào khác nhau mà 2 tế bào này gần nhau về mặt địa lý, thì
điều này có thể gây ra can nhiễu vô tuyến, làm méo các tín hiệu. Hiện tợng này
đợc gọi là xuyên nhiễu đồng kênh, nó có thể làm giảm tỷ số tín hiệu trên tạp âm
(SNR) tới một mức độ mà tín hiệu không còn phân biệt đợc nữa từ tạp âm, khi
ngời sử dụng khác cũng đang sử dụng cùng kênh trong tế bào kế tiếp. Để đạt một
SNR có thể chấp nhận đợc, không nên tái sử dụng kênh giống nhau trong hai tế
bào khác nhau trong mạng, trừ khi chúng đợc chia tách bởi khoảng cách tối thiểu
đợc gọi là khoảng cách tái sử dụng .
Mặc dù điều kiện về khoảng cách tái sử dụng làm cho việc bỏ qua một hoặc một
vài tế bào trớc khi tái sử dụng kênh giống nhau là cần thiết, ý tởng cơ bản của
việc tái sử dụng kênh trong khái niệm tế bào là có căn cứ. Kênh giống nhau có thể
đợc sử dụng để hỗ trợ nhiều hơn một cuộc gọi đang thực hiện trong các phần khác
nhau của thành phố. Điều này là có thể bởi vì nhờ sự tổn hao đờng truyền vô
tuyến, công suất trung bình nhận đợc từ một máy phát thay đổi tỷ lệ nghịch với
luỹ thừa 3 của khoảng cách từ ngời gửi, hoặc thậm chí một luỹ thừa cao hơn lên
tới 5 hay 6 phụ thuộc vào môi trờng vật lý. Kết quả là nếu nghịch đảo luỹ thừa 4
của khoảng cách ®−ỵc chÊp nhËn, SNR cã thĨ ®−ỵc tÝnh nh− sau:

(1/dS)4

Công suất tín hiệu
tSNR =

=
Công suất tạp âm

=

(1/dN)

4

dN

4

(1.1)

dS

Hình 1.2 Sử dụng lại kênh
ở đây dS (dN) là khoảng cách giữa nguồn tín hiệu (tạp âm) và ngời sử dụng, và
là hằng số vật lý của môi trờng. Nh chúng ta có thể thấy từ phơng trình (1.1),
SNR đợc xác định không phải bởi khoảng cách địa lý dS và dN, mà bởi tỷ số giữa
chúng. Nhờ đó cã thĨ sư dơng c¸ch biĨu diƠn lý thut graph về điều kiện khoảng
cách dùng lại trong mạng tế bào.
Nh đà chỉ ra ở hình 1.2, giả sử rằng mọi tế bào đều có cùng bán kính r. Khi
đó bất cø ng−êi sư dơng nµo trong tÕ bµo A sÏ có khoảng cách lớn nhất r kể từ máy

phát của nó. Khoảng cách giữa máy phát của tế bào A và ngời sử dụng khác trong
tế bào C tối thiểu là 3r. Bởi vậy, nếu công suất của máy phát của tế bào A có giá trị
vừa đủ đối với mọi ngời sử dụng trong tế bào A để nghe tín hiệu, công suất tín
hiệu đợc nhận bởi bất cứ ng−êi sư dơng nµo trong tÕ bµo C sÏ lµ (1/3)4 1% của tế
bào A. Tạp âm từ máy phát trong tế bào A khó có thể dẫn đến méo tín hiệu một
cách đáng kể ảnh hởng đến thông tin trong tế bào C. Trong các hệ thống hiện đại,
khoảng cách tái sử dụng 2 hay 3 có lẽ là đủ để bảo đảm tín hiệu nhận đợc từ máy
phát chính vợt trội tạp âm từ máy phát khác sử dụng cùng kênh.
Nếu khoảng cách tái sử dụng 2 đợc chấp nhận, các MS trong các tế bào lân
cận đợc bảo đảm sử dụng một nhóm các kênh khác nhau. Tuy nhiên các tế bào


không lân cận có thể sử dụng cùng kênh. Ví dụ trong hình 1.2 các tế bào A và B là
kế tiếp nhau, vì vậy chúng không thể sử dụng cùng kênh. Tuy nhiên, các cuộc gọi
trong các tế bào A và C có thể sử dụng cùng kênh.
Trong thực tế, ảnh hởng của việc xuyên nhiễu thờng không liên quan đến
khoảng cách tuyệt đối, mà đến tỷ số khoảng cách giữa các tế bào với bán kính của
các tế bào làm cho ý tởng mạng tế bào trở nên hấp dẫn hơn. Bán kính tế bào đợc
xác định bởi công suất máy phát và bằng cách tăng hay giảm đơn giản mức công
suất của máy phát, các nhà khai thác hệ thống có thể thay đổi số lợng các tế bào
trong hệ thống và sau đó đến số lợng các cuộc gọi sẽ đợc hỗ trợ thông qua việc
tái sử dụng. Ví dụ, nếu khoảng cách tái sử dụng bằng 3 là cần thiết cho tỷ số tín
trên tạp chấp nhận đợc và một mạng lới các tế bào bán kính 10 dặm cho phép tái
sử dụng tần số trong một tế bào tại khoảng cách 30 dặm, thì một mạng các tế bào
bán kính 5 dặm sẽ cho phép tái sử dụng tại khoảng cách 15 dặm và các tế bào bán
kính 1 dặm sẽ cho phép tái sử dụng tại 3 dặm. Không cần bổ sung thêm kênh hệ
thống dựa trên các tế bào bán kính 1 dặm sẽ hỗ trợ số lợng ngời dùng 100 lần lớn
hơn hệ thống dựa trên tế bào bán kính 10 dặm.
Tất nhiên, nếu chúng ta có thể giảm một cách vô hạn kích thớc của các tế
bào, vấn đề thiếu hụt phổ tần có thể đợc giải quyết một cách dễ dàng bằng việc

lắp đặt số lợng không giới hạn các tế bào cực nhỏ. Tuy nhiên, chi phí cho việc lắp
đặt và bảo dỡng là cao và sự phức tạp trong công việc điều khiển tăng làm cho giải
pháp này không có tính khả thi. Vấn đề quan trọng là phải sử dụng tốt hơn các tài
nguyên sẵn có trong hƯ thèng tr−íc khi chun sang mét hƯ thèng tế bào nhỏ hơn.
1.1.2 Sự chia tách tế bào
Khi số ngời sử dụng tăng lên, có lẽ sẽ không có sự lựa chọn nào khác ngoài
việc sử dụng nhiều các tế bào nhỏ hơn để hỗ trợ những đòi hỏi ngày càng tăng
trong vài vùng nh là trung tâm của thành phố. Nhng sẽ là quá tốn kém nếu thay
thế toàn bộ cơ sở hạ tầng thông tin tế bào bằng một hệ thống tế bào bán kính nhỏ.
Tuy nhiên, bằng việc sử dụng một kỹ thuật đợc gọi là chia tách tế bào, các tế bào


bán kính lớn có thể chia thành các tế bào bán kính nhỏ trong một khoảng thời gian.
Khi mà lu lợng trong một tế bào đà đạt đến điểm mà sự phân phối kênh hiện thời
trong tế bào đó không còn khả năng hỗ trợ lu lợng tăng thêm, thì các máy phát
mới với công suất phát thấp hơn đợc lắp đặt và mỗi máy phát này phủ sóng một
khu vực nhỏ hơn bên trong vùng tế bào trớc đây. Bằng việc phân tế bào thành
nhiều tế bào nhỏ hơn, các kênh giống nhau đợc gán với tế bào trớc có thể đợc
tái sử dụng trong tế bào ban đầu. Do vậy, số lợng ngời sử dụng đợc hỗ trợ tăng
lên một cách đáng kể mà không làm gián đoạn bất cứ tế bào nào khác trong hệ
thống. Quá trình chia tách tế bào này có thể đợc lặp lại để hỗ trợ nhiều ngời sử
dụng hơn khi cần thiết.
Sự linh hoạt trong việc định thời gian và không gian đà làm cho việc chia
tách tế bào thành một kỹ thuật đợc a chuộng để tăng dung lợng khi hệ thống
mở rộng. Hệ thống có thể bắt đầu với số ít tế bào và sự đầu t thiết bị ban đầu có
thể là rất thấp. Khi số lợng khách hàng sinh lợi tăng lên, các tế bào mới và thiết bị
có thể đợc bổ sung thêm. Hơn nữa, chi phí của việc bổ sung các tế bào nhỏ hơn sẽ
chỉ cần thiết trong các khu vực với mật độ lu lợng cao. Mặt khác, số ít tế bào lớn
sẽ đủ để hỗ trợ lu lợng nhỏ trong các khu vực. Việc mở rộng của hệ thống cũng
sẽ có thể đợc thực hiện mà không làm lÃng phí sự đầu t trớc, khi một tế bào lớn

đợc chia tách thành nhiều tế bào nhỏ, máy phát của tế bào chính thức sẽ không bị
giải tán, thay vào đó nó sẽ phù hợp với phạm vi mới bằng cách giảm công suất.
Tuy nhiên, sự chia tách tế bào cũng có những nhợc điểm hạn chế sự áp
dụng rộng rÃi của nó trong thùc tÕ. Chi phÝ cđa viƯc thiÕt lËp lªn nhiỊu máy phát
nhỏ là đủ lớn để làm cho các nhà khai thác mạng sử dụng thiết bị khả dụng một
cách hiệu quả trớc khi thêm nhiều tế bào hơn là hoàn toàn cần thiết. Bên cạnh việc
chi phí nhiều về thiết bị, với nhiều tế bào nhỏ hơn trong mạng thì hệ thống trở nên
khó khăn hơn cho việc quản lý.
1.1.3 ChuyÓn giao


Sự phức tạp của việc điều khiển hệ thống tăng lên với một hệ thống tế bào
nhỏ hơn. Với kích cỡ của các tế bào giảm đến vài trăm mét, một hiện tợng xảy ra
ngày càng nhiều là một cuộc gọi di động không thể hoàn thành trong phạm vi của
một tế bào. Một ngời sử dụng trong ô tô đang chạy có thể xuyên qua một vài tế
bào rất nhỏ trong một cuộc đàm thoại. Không có một đờng kết nối thông tin một
cách chính xác đợc thiết lập giữa ngời sử dụng và máy phát trong tế bào mới,
cuộc gọi hiện thời sẽ bị mất một cách đột ngột. Để giải quyết vấn đề này, một kỹ
thuật chuyển giao phức tạp đợc sử dụng. Sự di chuyển của một cuộc gọi hiện tại
đợc giám sát một cách liên tục thông qua việc đo cờng độ của tín hiệu nhận đợc
từ các máy di động. Hệ thống tế bào sÏ cã thĨ nhËn biÕt khi nµo mét cc gäi di
động di chuyển từ một tế bào đến một tế bào khác và có thể chuyển mạch cuộc gọi
từ tế bào hiện tại đến tế bào kế tiếp mà không bị rớt hoặc ngắt quÃng cuộc gọi đang
đàm thoại.
1.2 Gán kênh
Tài nguyên phổ tần vô tuyến bị hạn chế, chi phí cao và sự phức tạp của các tế
bào nhỏ ®· thóc ®Èy viƯc nghiªn cøu vỊ viƯc sư dơng các kênh vô tuyến một cách
có hiệu quả trong các mạng tế bào. Nói chung, vấn đề gán kênh trong một mạng tế
bào là vấn đề của việc gán các kênh tần số cho các phiên liên lạc sao cho tránh
đợc sự xuyên nhiễu. Mục đích là sử dụng số lợng kênh càng ít càng tốt để cung

cấp cho lợng ng−êi sư dơng cã thĨ ë møc tèi ®a víi chất lợng dịch vụ có thể chấp
nhận đợc.
Tại thời điểm bất kỳ cho trớc trong một mạng tế bào, số lợng kết nối cuộc
gọi hoạt động đợc cung cấp bởi trạm cơ sở gần nhất của chúng (máy phát). Dịch
vụ này bao gồm việc gán một kênh vô tuyến tới mỗi cuộc gọi của thuê bao theo
một kiểu mà xuyên nhiễu vô tuyến giữa hai cuộc gọi khác biệt trong mạng là ở
dới mức độ có thể chấp nhận. Thách thức là để tìm ra các chiến lợc gán kênh,
tìm hiểu nguyên lý của việc tái sử dụng kênh một cách tối đa mà không vi phạm
những cỡng bức của việc tái sử dụng để nghẽn mạch là tối thiểu. Nh− ®· biÕt, tû


số tín hiệu trên tạp âm chỉ liên quan tới tỷ lệ của khoảng cách tới nguồn tín hiệu và
khoảng cách tới nguồn tạp âm. Bởi vậy, sự cỡng bức xuyên nhiễu đồng kênh có
thể đợc tách ra một cách tơng xứng nh là sự cỡng bức khoảng cách tái sử dụng
trong một hình lục giác. Sự dịch chuyển này cã thĨ cung cÊp h−íng tiÕp cËn cã tÝnh
lý thut graph để nghiên cứu vấn đề gán kênh.
Các mạng thông tin tế bào đợc đa ra nh graph hai chiều [5] với mỗi đỉnh
đại diện một trạm cơ sở của một tế bào trong mạng và các ranh giới đại diện sự lận
cận có tính địa lý của các tế bào. Cụ thể, các mạng tế bào luôn luôn đợc thể hiện
dới các hình lục giác và các hình lục giác này có thể đợc định nghĩa nh là các
hình nhỏ đợc đa ra có giới hạn của mạng tam giác không giới hạn (xem hình
1.1).


Chơng 2
các chiến lợc gán kênh
Thách thức chính trong việc thiết kế một hệ thống thông tin vô tuyến là để
đáp ứng nhu cầu sử dụng lớn trong khi tài nguyên phổ tần vô tuyến bị hạn chế. Kỹ
thuật cơ bản đợc sử dụng để tăng dung lợng của một hệ thống thông tin tế bào là
việc tái sử dụng kênh. Tuy nhiên, việc tái sử dụng kênh bị giới hạn bởi hiện tợng

xuyên nhiễu đồng kênh và chi phí cao liên quan với hệ thống tế bào nhỏ hơn. Các
chiến lợc gán kênh hiệu quả là rất cần thiết để đạt hiệu quả trong việc tái sử dụng
phổ tần.
Trong chơng này, trớc tiên chúng ta đa ra một tổng quan chung về vấn đề
gán kênh trong môi trờng tế bào và sau đó thảo luận các chiến lợc gán kênh cơ
bản.
2.1 Gán kênh cố định cho các mạng tế bào
Cách tiếp cận gán kênh tần số trong mạng tế bào khác nhau cơ bản với cách
tiếp cận sử dụng cho mạng LOS. Do sự phân tán trong môi trờng mạng tế bào,
việc sử dụng anten có độ tăng ích cao với hớng cố định tại MS là điều không thể
thực hiện đợc. Hơn nữa, do phân tán, sự phân cực không thể sử dụng hiệu quả để
cung cấp các kênh riêng biệt cho các MS riêng rẽ. Thay vào đó, tiến trình gán kênh
mạng tế bào là tơng tự nh đối với hệ thống tế bào cung cấp các dÞch vơ cho vÞ trÝ
ng−êi sư dơng ch−a biÕt trong vùng phục vụ xác định. Mật độ ngời sử dụng đợc
thiết lập bởi thông tin lu lợng, cùng với QoS, xác định dung lợng tốc độ dữ liệu
mà mạng cần phải cung cấp.
Do một vài khái niệm cơ bản của việc sử dụng lại tần số và xuyên nhiễu là tơng
tự nh các hệ thống tế bào, quy tắc tiếp cận thông thờng đối với việc quy hoạch
kênh trong mạng tế bào sẽ đợc thảo luận đầu tiên. Theo đó, các khía cạnh riêng
biệt của đầu cuối xa cố định (chứ không phải là di động) sẽ đợc kết hợp chỈt chÏ


cùng với các chỉnh sửa phù hợp. Các chỉnh sửa này khai thác các đơn giản hoá mà
đầu cuối cố định có thể đem lại cho đầu cuối di động.
Cấu tróc tÕ bµo trun thèng cho hƯ thèng tÕ bµo đợc chỉ ra trong hình 2.1. Cấu
trúc lới lục giác cơ bản cho các lớp tế bào đợc chấp nhận bëi nã biĨu diƠn sù phđ
sãng liªn tơc cđa vïng phục vụ (không nh hình tròn) và gần giống với vùng phục
vụ đối xứng tròn cho mỗi tế bào. Vì các MS ở xa đợc giả thiết có các anten đẳng
hớng, chúng sẽ nhận đợc xuyên nhiễu từ tất cả các tế bào khác trong mạng, với
các tế bào lân cận gần nhất có đóng góp xuyên nhiễu lớn nhất đợc biểu diễn bởi

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