1

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

BÀI TẬP LỚN
Môn Thông Tin Vô Tuyến Đề tài:
Nghiên cứu các phương pháp cấp phát kênh động
(Dynamic channel allocation) Giảng viên hướng dẫn : PGS.TS Vũ Văn Yêm
Nhóm sinh viên :Lớp KSTN-ĐTVT-K54
Nguyễn Tiến Đạt
Nguyễn Đức Nam Hà Nội, 11-2012 2


cạnh nhau sẽ được cấp phát các nhóm kênh khác nhau. Với việc thiết kế anten sao cho
vùng phủ sóng chỉ giới hạn trong ô tế bào cho trước thì các ô tế bào đủ xa nhau có thể
cùng sử dụng một nhóm kênh, miễn là nhiễu đồng kênh không ảnh hưởng quá lớn tới
chất lượng truyền thông, điều này giúp tăng dung lượng của toàn bộ hệ thống. Quá trình
chọn lọc và cấp phát các nhóm kênh cho tất cả các trạm gốc trong hệ thống truyền thông
tế bào gọi là quy hoạch tái sử dụng tần số (frequency reuse).
Hình 1 mô tả việc chia nhỏ một vùng được cung cấp dịch vụ truyền thông di động thành
các ô tế bào. Các ô tế bào kí hiệu giống nhau nghĩa là được cấp phát cùng một nhóm
kênh. Như ta thấy, hai ô tế bào kề nhau bất kì không bao giờ sử dụng cùng một nhóm
kênh. Tổng số tất cả các kênh được cấp phát ở bảy ô tế bào A, B, C, D, E, F, G bằng
Hình 1. Mô hình truyền thông tế bào với nhóm tế bào tái sử dụng bằng 7
4

tổng số kênh của toàn bộ hệ thống, và bảy ô này tạo thành một nhóm tế bào (cluster). Bài
toán đặt ra bây giờ là cấp phát kênh như thế nào để đạt hiệu quả sử dụng hệ thống là tối
đa trong điều kiện bị ràng buộc về dải tần cho trước. Bài báo cáo này sẽ trình bày về việc
cấp phát kênh nói chung và các phương pháp cấp phát kênh động nói riêng.
2.Cấp phát kênh.
2.1.Mục đích của việc cấp phát kênh.
Kênh (channel) hiểu theo nghĩa hẹp trong hệ thống mạng viễn thông là một đường kết
nối vật lý cho phép 2 thiết bị liên lạc với nhau. Ở một số khu vực có lưu lượng cuộc
gọi lớn, số kênh truyền có thể không đủ dẫn đến tình trạng từ chối phục vụ, gây suy
giảm chất lượng của mạng viễn thông. Trong khi đó, ở một số khu vực khác, lưu
lượng cuộc gọi nhỏ, nhiều kênh truyền lại trở nên dư thừa, gây lãng phí. Vì vậy, vấn
đề quản lý tài nguyên kênh truyền và bài toán cấp phát kênh là rất quan trọng.
Trong hệ thống truyền thông tế bào, khi tiến hành cấp phát kênh cho một ô tế bào
phải được xem xét ở 2 điểm sau:
- Số lượng kênh được cấp phát cho ô đó tùy thuộc vào lưu lượng cuộc gọi, tức là
đảm bảo xác suất từ chối cuộc gọi nhỏ hơn một ngưỡng tiêu chuẩn.
- Khả năng xảy ra nhiễu đồng kênh do các ô tế bào lân cận, tức là đảm bảo xác suất

Để thực hiện được điều này, ta buộc phải biết các kênh nào đang được sử dụng, phân
phối lưu lượng hoặc chỉ số cường độ sóng điện từ. Chính điều này làm tăng dung
lượng lưu trữ và yêu cầu năng lực tính toán mạnh của các trạm (trạm gốc hoặc trạm
MSC) điều khiển việc cấp phát kênh.
3.Cấp phát kênh động.
3.1.Các phương pháp cấp phát kênh động.
Để triển khai phương thức cấp phát kênh động trong các hệ thống truyền thông, cần
có thuật toán để điều khiển việc cấp phát. Có hai loại thuật toán điều khiển chính là
điều khiển theo cơ chế tập trung và điều khển theo cơ chế phân tán.
Với cơ chế điều khiển tập trung, trạm điều khiển trung tâm MSC sẽ tập hợp trạng thái
các kênh từ các trạm gốc, từ đó đưa ra quyết định cấp phát kênh theo một thuật toán
nào đó để giảm thiểu xác suất từ chối cuộc gọi ở các ô tế bào trong tương lai. Khi số
trạm gốc lớn, lượng thông tin cần phải được xử lý sẽ rất lớn, do đó phương pháp này
6

chỉ thích hợp với những hệ thống truyền thông có số lượng các trạm gốc không quá
nhiều.
Với phương pháp điều khiển phân tán, việc quyết định cấp phát kênh sẽ không phải
thông qua trạm điều khiển trung tâm mà sẽ do chính trạm gốc của ô tế bào đó quyết
định. Quyết định này dựa vào khoảng cách đồng kênh, kết quả đo cường độ tín hiệu
và kết quả đo giá trị tỉ số CIR của trạm gốc (C là công suất tín hiệu sóng mang mong
muốn nhận được trên một kênh và I là tổng công suất của các tín hiệu nhận được trên
kênh truyền đó, gọi là công suất nhiễu đồng kênh). Nếu tỉ số này vượt ngưỡng tối
thiểu cho việc đảm bảo chất lượng đường truyền thì trạm gốc sẽ quyết định kênh đó
sẵn sàng phục vụ cuộc gọi.
Bảng 1 dưới đây phân loại một số phương pháp cấp phát kênh động theo cơ chế điều
khiển tập trung và cơ chế điều khiển phân tán.
Cơ chế điều khiển tập trung
First Available (FA)
Mean Square (MSQ)

khá tốt.
Cả ba phương pháp cấp phát MSQ (Mean SQuare), NN (Nearest Neighbor)
và NN + 1 (Nearest Neighbor + 1) đều dựa trên một nguyên tắc cơ bản là gán
lại kênh cho ô tế bào cần được cấp phát. Hình 3 mô tả việc cấp phát kênh cho
ba phương pháp này. Giả sử vào một thời điểm, một cuộc gọi phát sinh ở ô tế
bào số 6. Trước đó, ô tế bào số 1 đang sử dụng các kênh b và c, ô tế bào số 2
đang sử dụng kênh a, ô tế bào số 4 đang sử dụng kênh d, ô tế bào số 9 đang sử
dụng kênh b, ô tế bào số 10 đang sử dụng kênh a và c. Đồng thời chúng ta
cũng giả thiết rằng hệ thống có 4 kênh a, b, c, d và khoảng cách tái sử dụng
tần số D = 3. Vì kênh d đang được sử dụng ở ô số tế bào số 4, nên không thể
cấp phát kênh d cho ô tế bào số 6 được, như vậy chỉ còn các kênh a, b, c là
thỏa mãn. Đối với phương pháp NN, kênh sẽ được cấp phát cho ô số 6 giống
với cả kênh ở ô tế bào gần nhất với nó (thỏa mãn khoảng cách tái sử dụng), do
vậy, kênh b sẽ được cấp phát cho ô số 6. Đối với phương pháp NN + 1, các
kênh đang được dùng ở các ô tế bào mà có khoảng cách tới ô cần được cấp
phát lớn hơn khoảng cách tái sử dụng sẽ sẵn sàng cho việc cấp phát lại, như
vậy, kênh a hoặc c đều có thể được cấp phát cho ô số 6. Còn với phương pháp
MSQ, kênh sẽ được cấp phát lại sao cho bình phương khoảng cách từ ô cần
được cấp phát tới các ô tế bào sử dụng kênh đó là nhỏ nhất. Trong trường hợp
này, kênh a sử dụng ở ô số 2 và 10, tổng bình phương khoảng cách tới ô số 6
là 32, kênh b sử dụng ở ô số 1 và 9, tổng bình phương khoảng cách tới ô số 6
là 34, kênh c sử dụng ở ô số 1 và số 10, tổng bình phương khoảng cách tới ô
số 6 là 41. Vậy, kênh a sẽ được chọn nếu dùng phương pháp cấp phát MSQ.
Phương pháp channel borrowing (mượn kênh) gần tương tự như cấp phát
kênh tĩnh. Các kênh (nhóm kênh) được cấp phát cho từng ô và không thay đổi
theo thời gian. Khi phát sinh một cuộc gọi trong một ô tế bào, trạm gốc của ô
tế bào đó sẽ cấp phát kênh phục vụ cuộc gọi đó nếu còn kênh rỗi. Tuy nhiên,
nếu tất cả các kênh của ô tế bào đó đang bị sử dụng, trạm gốc sẽ gửi yêu cầu
Hình 3. Minh họa cách cấp phát kênh bằng thuật toán NN, NN + 1, MSQ.
Hình 3. Minh họa phương pháp cấp kênh MSQ, NN và NN + 1

nhóm đối tượng.
9

3.1.2.Cơ chế điều khiển phân tán.
Khác với cơ chế điều khiển
tập trung được thực hiện bởi
trạm điều khiển trung tâm, cơ
chế điều khiển phân tán được
thực hiện bởi trạm gốc của
mỗi ô tế bào. Trạm gốc sẽ
tiến hành xác định một trong
ba tham số: khoảng cách
đồng kênh (co – channel
distance), cường độ tín hiệu
và tỉ số CIR của từng kênh.
Sau đó, dựa vào ngưỡng cho
trước, trạm gốc sẽ quyết định
các kênh sẵn sàng phục vụ
cuộc gọi.
Để xác định CIR, ta xét ví dụ
như trong hình 5. Giả sử ta
mong muốn thực hiện truyền thông giữa hai thiết bị T và R. Tuy nhiên, ngoài
2 thiết bị sử dụng kênh truyền này để giao tiếp với nhau thì còn các thiết bị 1,
2, …, 5 cũng sử dụng kênh truyền đó để giao tiếp với các thiết bị khác, điều
này gây ra nhiễu đồng kênh cho cuộc gọi của T – R. Chỉ số CIR sẽ được tính
tại R như sau:
5
1
tt
o i i

của trạm i và khoảng cách từ trạm i tới trạm R.
Để đạt được tỉ số CIR ở trạm R trên ngưỡng tối thiểu, có thể có 2 giải pháp.
Giải pháp thứ nhất là tăng các khoảng cách d
i
, nghĩa là tăng khoảng cách tái
sử dụng tần số. Giải pháp thứ 2 là điều chỉnh công suất phát P
t
và giảm công
suất nhiễu do giao thoa đồng kênh để đạt được tỉ số CIR cho phép.
Trong phương pháp channel segregation, từng trạm gốc sẽ giám sát trạng
thái sử dụng (bận hay rỗi) của các kênh và gán chỉ số ưu tiên cho từng kênh.
Hình 5. Tính tỉ số CIR
10

Khi phát sinh một cuộc gọi, trạm gốc sẽ xem xét xem liệu kênh với chỉ số ưu
tiên cao nhất có rỗi không bằng cách quét năng lượng trên kênh đó. Nếu như
công suất tín hiệu trên kênh đó nhỏ hơn ngưỡng cho trước, kênh được xác
định là rỗi. Nếu như kênh đó rỗi, thì nó sẽ được cấp phát và chỉ số ưu tiên của
nó sẽ tăng lên. Còn trong trường hợp kênh đó bận, chỉ số ưu tiên của nó sẽ bị
giảm đi và kênh có chỉ số ưu tiên cao thứ 2 sẽ được quét tiếp. Nếu toàn bộ
kênh của hệ thống đều bận thì sẽ xảy ra việc từ chối cuộc gọi. Chỉ số ưu tiên
được xác định như sau:
 
   
 
1
1
P i N i
Pi
Ni

tăng dung lượng hệ thống. Phương pháp này thực hiện điều khiển theo cơ chế
phân tán tự trị.
3.2.So sánh phương thức cấp phát kênh động với phương thức cấp phát
kênh tĩnh.
Trong phương thức cấp phát kênh tĩnh, vì các kênh được gán sẵn cho từng ô nên thiết
bị điều khiển đơn giản hơn so với trong cấp phát kênh động và phương thức này đã
được ứng dụng trong thực tế. Tuy nhiên, khi điều kiện thay đổi về mật độ lưu lượng,
phương thức cấp phát tĩnh tỏ ra kém linh động, do đó xác suất từ chối cuộc gọi cao
hơn so với phương thức cấp phát động. Ngoài ra, xác suất bị rớt (gián đoạn) cuộc gọi
khi đi qua các vùng chuyển tiếp giữa hai ô tế bào cao hơn so với phương thức cấp
phát động, hình 5 mô tả nhược điểm này.
11 Hình 6. Minh họa khả năng bị rớt cuộc gọi khi chuyển vùng
Phương thức cấp phát động đã giải quyết được những nhược điểm trên của phương
thức cấp phát tĩnh. Trong bối cảnh số lượng thuê bao ngày càng tăng như hiện nay,
phương thức cấp phát động tỏ ra hiệu quả hơn nhiều so với cấp phát tĩnh. Tuy nhiên,
như đã trình bày ở trên, phương thức cấp phát động đòi hỏi cấu hình cao về phần
cứng tại các trạm gốc, năng lực xử lý tương đối mạnh của trạm điều phối MSC hoặc
cần có thuật toán điều khiển việc cấp phát kênh. Một nhược điểm khác của phương
thức cấp phát động đó là xác suất từ chối cuộc gọi lớn hơn so với phương thức cấp
phát tĩnh trong điều kiện mật độ lưu lượng tải lớn, hình 4 và hình 5 minh họa nhược
điểm này.
12 Hình 7. Minh họa khả năng bị từ chối cuộc gọi khi lưu lượng tải lớn trong cấp phát kênh động

Hình 8. Sự phụ thuộc của xác suất từ chối cuộc gọi vào lưu lượng tải

blocknum
P
callnum

và
fo
forcenum
P=
callnum-blocknum

4.2. Lưu đồ thuật toán mô phỏng.
Chương trình mô phỏng bao gồm 3 công đoạn:
a) Bước chuẩn bị: setup các thông số ban đầu cho hệ thống như số người dùng trong
mỗi cell, mỗi cell sẽ chia thành bao nhiêu mắt lưới…
b) Vòng lặp: Chương trình chính sẽ kích hoạt
vòng lặp while tới khi hết “timeend”. Trạng thái
của người dùng sẽ được cập nhật theo mỗi khoảng
thời gian “timestep”. Một vài chỉ số của người
dùng sẽ được chứa trong ma trận userinfo.
userinfo(:,:,1): tọa độ x của người dùng.
userinfo(:,:,2): tọa độ y của người dùng.
userinfo(:,:,3): suy hao trên đường truyền của
người dùng (nếu đã được kết nối).
userinfo(:,:,4): trạng thái 0 là không kết nối, trạng
thái 1 là được kết nối.
userinfo(:,:,5): thời gian kết thúc cuộc gọi.
userinfo(:,:,6): kênh được cấp phát (nếu đã kết
nối).
Trong mỗi chu kỳ của vòng lặp, mỗi người dùng
sẽ khởi tạo cuộc gọi, tìm kiếm kênh, cấp phát

đây chúng ta có thể bỏ qua
do khoảng cách, chúng ta
chỉ xét đến 6 cell lân cận.
Mặt khác, cell số 9 nằm
trên đường bao, chỉ có 3
cell lân cận là 10, 2 và 8. Như vậy các cell ở đường biên sẽ có hiệu năng khác với các
cell nằm bên trong như cell số 1, 2… và có hiệu năng cao hơn hẳn do có ít kênh lân
cận hơn.
Để mô phỏng một cách đầy đủ hơn, cần một kĩ thuật gọi là cell-wrapping cho phép
hiệu quả sử dụng của các cell là như nhau. Trong kĩ thuật này, các cell ở đường bao
được coi là cell lân cận của cell nằm đối diện với nó. Ở hình 2, chỉ có 19 cell (có
màu) là thật sự tồn tại, và các cell còn lại là bản sao của các cell có cùng số thứ tự.
Chẳng hạn như cell số 9 không chỉ có các cell lân cận là 10 ,2 với 8 mà còn là lân cận
của các cell 17,13 với 14. Và như giả thuyết đã đưa ra, mỗi cell là như nhau có 6 cell
lân cận.
Để thực hiện kĩ thuật cell-wrapping này, một ma trận 19x19 được khởi tạo trong file
“wrap.m” để chứa thông tin liên hệ giữa các cell. Ví dụ như wrapinfo(5,:) chứa thông
Hình 9. Sự phân bố của các cell trong mô phỏng
15

tin các cell khác của cell số 5, đặc biệt là wrapinfo(5,2) tới wrapinfo(5,7) là 6 cell lân
cận của cell số 5.

Hình 10. Kỹ thuật cell-wrapping
Kiến trúc lưới cell
Trong hệ thống, sự phân bố của người dùng sẽ được thống nhất trên toàn bộ các cell.
Một cell sẽ được chia lưới thành các mắt nhỏ. Một mạng lưới sẽ được khởi tạo ở đầu
chương trình trong “cellmesh.m”, đầu ra sẽ là số mắt lưới trong mỗi cell và được
chứa trong một ma trận tọa độ vị trí của các mắt meshposition.


suy giảm do vật cản và suy giảm do khoảng cách là các tác nhân ảnh hưởng đến tín
hiệu truyền đi.

Hình 12. Hàm mật độ suy giảm do vật cản.
Với suy hao do đường truyền sẽ được tính theo hàm “dist(a,b,alpha)” trong đó alpha
=3.5 là hệ số suy giảm trong môi trường như thành phố,đô thị…Còn a,b là 2 ma trận
1x2 chứa tọa độ của 2 điểm cần tính suy giảm.
4.3. Quá trình mô phỏng.
Quá trình cấp phát kênh động
Ban đầu, một tín hiệu yêu cầu được gửi từ người dùng được khởi tạo gửi tới trạm gốc.
Công suất của tín hiệu được cho bởi thông số CNR, tương ứng với thông số mô
phỏng “cnedge” (đo bằng dB), ứng với khoảng các giữa máy phát và máy thu bằng 1.
Trong chương trình chính, chúng ta sẽ khởi tạo các vị trí của người dùng và của trạm
gốc, đưa ra giá trị suy hao đường truyền thông qua hàm “dist(here,there,alpha)” và
nhân với suy hao do vật cản “shadow(sigma)”. Sau khi đưa ra các suy hao của tín
hiệu mong muốn truyền đi “dwave”, từ đó có thể tính được tỉ số CNR của tín hiệu thu
được tại trạm gốc. Tỉ số CNR này tương ứng với biến “cn” có giá trị
“power(10.0,cnedge/10.0) * dwave” .
18 Sau khi tính được CNR của tín hiệu, chúng ta sẽ tìm kiếm một kênh thích hợp mà
chưa được sử dụng, và phải thỏa mãn điều kiện nhiễu giao thoa “C/(N+I)”. Việc tìm
kiếm kênh truyền thích hợp “chn” thực hiện thông qua vòng lặp với số kênh là
“chnum”. Trong trường hợp nếu có người dùng khác được cấp phát cùng kênh “ch”,
chúng ta sẽ tính nhiễu giao thoa từ người dùng này. Trong vòng lặp “for around =
2:7”, biến “othercell = wrapinfo(numcell,around)” tương ứng với kênh truyền lân cận
cell có thứ tự là “numcell”. Và sau đó, chúng ta cũng tính độ suy giảm của tín hiệu
“uwave” của tín hiệu giao thoa từ kênh lân cận này, cũng như cách tính “dwave” ở
trên.

fo
theo công thức nêu ra ở trên.
Ở đây, chương trình sẽ thực hiện 5 lần mô phỏng với các tham số khác nhau của số
người dùng “usernum”. Các thông số tính toán của mỗi lần mô phỏng sẽ được lưu
toàn bộ trong ma trận “output”.
output(1,: ) – số cuộc gọi.
output(2,:) – số cuộc gọi bị chặn
output(3,:) – Tỉ lệ cuộc gọi bị chặn
output(4,:) – Tỉ lệ cuộc gọi buộc kết thúc
Chương trình cũng bao gồm 2 ma trận đầu ra khác là “check” với “check2” tương
ứng chứa tỉ lệ cuộc gọi bị chặn và tỉ lệ số cuộc gọi bị kết thúc trong mỗi thời điểm
trong mỗi thời điểm mô phỏng.Tóm lại, ma trận “check” và “check2” chứa các thông
tin thay đổi tương ứng trong mỗi thời điểm,từ đó ta có thể quyết định chiều dài vòng
lặp cho chương trình mô phỏng.
4.4. Đánh giá kết quả và nhận xét
4.4.1.Kết quả mô phỏng.
Với ma trận “output”, chúng ta có thể đánh giá kết quả mô phỏng qua tỉ lệ
chặn cuộc gọi và tỉ lệ gián đoạn cuộc gọi theo thời gian.
20 Hình 13. Tỉ lệ cuộc gọi bị từ chối theo thời gian Hình 14. Tỉ lệ gián đoạn cuộc gọi theo thời gian

21 Sau khi chạy chương trình mô phỏng ta thu được kết quả:

5.6%
16.51%
21.8%
26.37%
28.78%
4.4.2.Nhận xét và kết luận
Qua quá trình mô phỏng, nhóm nhận thấy với cùng một số kênh cho phép được sử dụng như
nhau,nếu số người dùng mà tăng thì tỉ lệ chặn cuộc gọi cũng như gián đoạn cuộc gọi sẽ tăng
theo.Kết quả trên hoàn toàn phù hợp với logic thực tế.