0 TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG
************************************ BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN THÔNG TIN VÔ TUYẾN Đề tài:

Nghiên cứu các phương pháp cấp phát kênh tĩnh

Giáo viên hướng dẫn : PGS.TS Vũ Văn Yêm

Nhóm sinh viên :
Nguyễn Hoàng Ân - 20093371
Hoàng Văn Pháp - 20093561
Lớp KSTN-ĐTVT-K54

Hà Nội 11/2012
1

MỤC LỤC MỤC LỤC 1
LỜI NÓI ĐẦU 2
1.1. Khái niệm tế bào 3

mới, các phương pháp đa truy nhập mới (TDMA, CDMA) và kĩ thuật cấp
phát kênh động (DCA). Mặc dù có rất nhiều đề xuất với chiến lược cấp phát
kênh động, tuy nhiên tất cả các hệ thống tế bào hiện nay đều sử dụng cấp phát
kênh tĩnh vì những ưu điểm của nó. Chính vì vậy chúng em đã lựa chọn đề tài
“nghiên cứu phương pháp cấp phát kênh tĩnh”, cụ thể hơn ở đây là
phương pháp cấp phát kênh tĩnh được sử dụng trong mạng di động tế bào. Bố
cục của báo cáo được trình bày như sau:
Chương I: Tổng quan về mạng di động tế bào
Chương II: Cấp phát kênh tĩnh cho mạng tế bào
Chương III: Tối ưu hóa cấp phát kênh tĩnh
Chương IV: Mô phỏng
Trong quá trình nghiên cứu, do trình độ có hạn nên chắc chắn không
thể tránh khỏi những thiếu sót, vì vậy chúng em rất mong nhận được những ý
kiến bổ sung từ thầy, và trong quá trình học tập và nghiên cứu chúng em xin
đã nhận được những lời hướng dẫn, những kiến thức vô cùng quý báu tiếp thu
được từ thầy giáo - PGS.TS.Vũ Văn Yêm. Chúng em xin chân thành cảm ơn!

3

Chương 1. Tổng quan về mạng di động tế bào

Thông tin vô tuyến đã trở thành một phàn quan trọng của cơ sở hạ tầng
thông tin. Mặt khác, phổ tần số vô tuyến cấp phát cho hệ thống thông tin di
động tế bào là hạn chế. Chính vì vậy các tần số vô tuyến phải được sử dụng
một cách hiệu quả để đáp ứng những yêu cầu sử dụng ngày càng cao trong
thồi đại hiện nay. Chính vì vậy trong Đề tài này chúng em sẽ nghiên cứu về
vần đề làm thế nào để cấp phát kênh vô tuyến cho một cuộc gọi trong một
mạng thông tin di động tế bào và phương pháp cấp phát kênh tĩnh.
1.1. Khái niệm tế bào
Khái niệm tế bào xuất phát từ các hệ thống của mạng của Bell

cuối sẽ được cấp phát một kênh chỉ khi nó yêu cầu cho cuộc gọi. Mặc
dù trunking có thể sử dụng tài nguyên phổ tần vô tuyến một cách hiệu
quả hơn, dung lượng hệ thống vẫn còn khá hạn chế. Số lượng các cuộc
gọi đồng thời bị giới hạn bởi số lượng các kênh khả dụng. Vì phổ tần
vô tuyến là một nguồn tài nguyên quý hiếm nên chính điều này giới hạn
dung lượng hệ thống khá nhiều. Ví dụ, hệ thống di động tế bào Bell
của thành phố New York trong những năm 1970 đã sử dụng điện thoại
trunking, chỉ có thể hỗ trợ cho 12 cuộc gọi đồng thời. Hướng tiếp cận
khác của việc sử dụng các kênh vô tuyến một cách hiệu quả hơn là việc
tái sử dụng kênh về không gian. Các người 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
được tập trung, nhưng thay vào đó mạng được cấu trúc lại theo một
kiểu phân tán.
Việc tái sử dụng kênh về không gian là một trong những khái
niệm chủ yếu được sử dụng bởi một mạng tế bào để đạt được 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.

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 được chia thành
nhiều khu liền kề. Một tế bào được xem như là vùng phủ sóng tương
6

đương 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 được miêu tả ở trên

một SNR có thể chấp nhận được, không nên tái sử dụng kênh giống
nhau trong hai tế bào khác nhau trong mạng, trừ khi chúng được chia
tách bởi khoảng cách tối thiểu được gọi là khoảng cách tái sử dụng s.
Mặc dù điều kiện về khoảng cách tái sử dụng làm cho việc bỏ
qua một hoặc một vài tế bào trước khi tái sử dụng kênh giống nhau là
cần thiết, ý tưởng cơ bản của việc tái sử dụng kênh trong khái niệm tế
bào là có căn cứ. Kênh giống nhau có thể được 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 đường truyền vô tuyến,
công suất trung bình nhận được từ một máy phát thay đổi tỷ lệ nghịch
với luỹ thừa 3 của khoảng cách từ người gửi, hoặc thậm chí một luỹ
thừa cao hơn lên tới 5 hay 6 phụ thuộc vào môi trườg vật lý. Kết quả là
nếu nghịch đảo luỹ thừa 4 của khoảng cách được chấp nhận, SNR có
thể được tính như sau:

















trong mạng tế bào.
Như đã chỉ ra ở hình 1.2, giả sử rằng mọi tế bào đều có cùng bán
kính r. Khi đó bất cứ người sử dụng nào trong tế bào A sẽ có khoảng
cách lớn nhất r kể từ máy phát của nó. Khoảng cách giữa máy phát của
tế bào A và người 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
người sử dụng trong tế bào A để nghe tín hiệu, công suất tín hiệu được
nhận bởi bất cứ người sử dụng nào trong tế bào C sẽ là




ᵙ 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 hưởng 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 được từ máy phát chính vượt trội tạp âm
từ máy phát khác sử dụng cùng kênh.
Nếu khoảng cách tái sử dụng 2 được chấp nhận, các máy di động
trong các tế bào lân cận được 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 hưởng của việc xuyên nhiễu thường 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 tưởn mạng tế bào trở
nên hấp dẫn hơn. Bán kính tế bào được 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 lượng các tế bào trong hệ

đặt và mỗi máy phát này phủ sóng một khu vực nhỏ hơn bên trong
vùng tế bào trước đây. Bằng việc phân tế bào thành nhiều tế bào nhỏ
10

hơn, các kênh giống nhau được cấp phát với tế bào trước có thể được
tái sử dụng trong tế bào ban đầu. Do vậy, số lượng người sử dụng được
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 được
lặp lại để hỗ trợ nhiều người sử dụng hơn khi cần thiết.
Sự linh hoạt trong việc định thời gian và không gian đã làm cho
việc chia tách tế bào thành một kỹ thuật được ưa chuộng để tăng dung
lượng khi hệ thống mở rộng. Hệ thống có thể bắt đầu với số ít tế bào và
sự đầu tư thiết bị ban đầu có thể là rất thấp. Khi số lượng khách hàng
sinh lợi tăng lên, các tế bào mới và thiết bị có thể được 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 lưu lượng cao. Mặt khác, số ít tế bào lớn
sẽ đủ để hỗ trợ lưu lượng nhỏ trong các khu vực. Việc mở rộng của hệ
thống cũng sẽ có thể được thực hiện mà không làm lãng phí sự đầu tư
trước, khi một tế bào lớn được 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 nhược điểm hạn
chế sự áp dụng rộng rãi của nó trong thực tế. Chi phí của việc thiết lập
lên nhiều máy phát nhỏ là đủ lớn để làm cho các nhà khai thác mạng
sử dụng thiết bị khả dụng một cách hiệu quả trước 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. Chuyển giao

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 dưới mức độ có thể
chấp nhận. Thách thức là để tìm ra các chiến lược cấp kênh, tìm hiểu
nguyên lý của việc tái sử dụng kênh một cách tối đa mà không vi phạm
12

những cưỡng bức của việc tái sử dụng để nghẽn mạch là tối thiểu. Như
đã biết, tỷ 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 cưỡng
bức xuyên nhiễu đồng kênh có thể được tách ra một cách tương xứng
như là sự cưỡng bức khoảng cách tái sử dụng trong một hình lục giác.
Sự dịch chuyển này có thể cung cấp hướng tiếp cận có tính lý thuyết
graph để nghiên cứu vấn đề cấp phát kênh.
Các mạng thông tin tế bào được đưa ra như graph hai chiều với
mỗi đỉnh đại diện một trạm cơ sở của một tế bào trong mạng và các
ranh giới đại diện sự lân cận có tính địa lý của các tế bào. Cụ thể, các
mạng tế bào luôn luôn được thể hiện dưới các hình lục giác và các hình
lục giác này có thể được định nghĩa như là các hình nhỏ được đưa ra có
giới hạn của mạng tam giác không giới hạn (xem hình 1.1). 13

Chương 2. Cấp phát kênh tĩnh cho các mạng tế bào

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 được sử dụng để tăng dung lượng
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 tượn xuyên nhiễu đồng kênh

lớn nhất được biểu diễn bởi các đường chấm chấm trong hình 2.1.
Khoảng cách giữa các tế bào được dùng cùng một tần số (theo đơn vị
bán kính tế bào lục giác R) được 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 được và (2) tổn thất đường truyền của tia
mong muốn và các tia xuyên nhiễu. Hình 2.1. Cấu trúc mạng tế bào lục giác đều cơ bản
15

2.1. Tỉ số S/I mục tiêu
Khoảng cách tái sử dụng kênh phụ thuộc vào tỷ số S/I yêu cầu
để đạt được dịch vụ có thể chấp nhận được tại máy di động. Dịch vụ
chấp nhận được có thể được miêu tả bởi độ sẵn sàng kết nối đạt
được trong phần trăm thời gian nào đó (ví dụ 99%) và trong phần
trăm vị trí nhất định (ví dụ 95%) của vùng dịch vụ mạng. Giá trị đầu
tiên chỉ ra chất lượng của tuyến liên kết trong khi giá trị thứ
hai chỉ ra bao nhiêu vị trí được cung cấp với dịch vụ thích hợp. Như
đã biết, cả hai tín hiệu mong muốn và tín hiệu xuyên nhiễu là đều
chịu sự ảnh hưởng pha-đinh. Các ảnh hưởng này được mô hình tổng
quát bởi hai cơ chế:
1. Sự biến thiên đường bao điện áp tín hiệu được miêu tả bởi
phân bố xác suất Rice.
2. Sự biến thiên mức tín hiệu trung bình từ vị trí đến vị trí
khác không thể dự đoán trước bằng các mô hình đường truyền đơn
giản. Pha-đinh che khuất thường được miêu tả bởi một phân bố
chuẩn lôga của giá trị trung bình.
Đưa pha-đinh chuẩn lôga vào tính toán, tỷ số S/I tính bằng dB
được miêu tả với một phân bố xác suất được cho bởi :

Thông thường trong các hệ thống tế bào, tiến trình cấp phát
kênh được thực hiện sử dụng các giá trị trung bình của tín hiệu
mong muốn và xuyên nhiễu chứ không tính đến phân bố pha-đinh.
Trong mạng băng rộng cố định có sự mong đợi độ sẵn sàng dịch vụ
cao hơn trong hệ thống tế bào, cần phải tính đến phân bố pha-đinh
trong giá trị S/I được sử dụng để thiết lập cấp phát kênh và tái sử
dụng. Thuật toán cấp phát kênh trong hệ thống “Tầm nhìn thẳng”
tính đến pha-đinh bằng cách đưa vào độ dự trữ pha-đinh thích hợp
trong tỷ số S/I mục tiêu khi tìm kiếm một kênh khả dụng.

Hình 2.2. Phân bố xác suất suy giảm đối với mô hình pha-đinh
phân bố Rice với hệ số k biến đổi
17 Hình 2.3 Xác suất mức tín hiệu pha-đinh chuẩn lôga

Một cách tiếp cận tương tự có thể được sử dụng ở đây. Nếu
điều chế 16-QAM được sử dụng, tỷ số S/I yêu cầu cho BER thô cỡ
10-3 là 12 dB (đó là FEC- có thể sửa sai tới 10-6). Nếu độ dự trữ
pha-đinh là 16 dB được sử dụng để đạt được 90% độ sẵn sàng của
tuyến với hệ số Rice k là 0 dB (xem hình 2.2), thì chỉ tiêu S/I là 28
dB. Nếu sự biến đổi vị trí theo hàm chuẩn lôga được xét tới và giả
sử độ lệch tiêu chuẩn là 8 dB, thì việc đạt được một tỷ số S/I có thể
chấp nhận được trong 90% vị trí yêu cầu tỷ số S/I phải tăng hơn
10.5 dB (xem hình 2.3) đến 38.5 dB. Mục tiêu tỷ số tín hiệu trên
xuyên nhiễu này (SIR) có thể giảm đi đáng kể nếu giả thiết phân tập
anten có thể làm giảm pha-đinh đa đường, giảm độ dự trữ pha-đinh
Rice 10 dB hay nhiều hơn. Mục tiêu SIR của mạng do vậy giảm tới
cỡ 28.5 dB. Do yêu cầu độ sẵn sàng đặt ra, chỉ tiêu giá trị S/I này là

4.79, 4.38 và 4.12 đối với các loại địa hình tương ứng là A, B hay C.
Giả thiết tổng quát được chấp nhận là tán cây và tín hiệu xuyên toà
nhà sẽ ảnh hưởng đến các tín hiệu nhiễu và tín hiệu mong muốn gần
như nhau, do đó các yếu tố tổn hao này sẽ không ảnh hưởng đến tỷ số
S/I.
Nếu giá trị số mũ n = 4.38 được sử dụng trong (2.3), thì tỷ số
S/I là 16dB có thể đạt được với tỷ lệ khoảng cách là 2.3 thay vì 6.3.
Tuy nhiên, các máy di động trong một tế bào có sáu tế bào gần nhất sử
dụng cùng một kênh. Giả thiết rằng công suất của tín hiệu xuyên nhiễu
được cộng lại, thì công suất xuyên nhiễu trên một kênh là gấp sáu lần
19

việc tính toán ở trên. Tính đến điều này thì tỷ lệ khoảng cách tái sử
dụng tăng đến 3.5. Tỷ số này chỉ ra rằng các trạm cơ sở xuyên nhiễu
sử dụng đồng kênh phải xa xấp xỉ 3.5 lần từ máy di động so với trạm
cơ sở phục vụ.
Trong những điều kiện trường hợp xấu nhất khi máy di động có
vị trí tại biên vùng phục vụ của tế bào, đó là khoảng cách từ trạm cơ
sở mong muốn. Sử dụng tỷ số cách ly 3.5, điều này chỉ ra rằng các tế
bào sử dụng cùng kênh phải ít nhất là 3.5 R từ tế bào phục vụ máy di
động. Các tế bào màu xám trong hình 2.1 là những ví dụ về sự chia
tách tế bào sao cho một kênh có thể sử dụng lại và đạt được một tỷ số
S/I mục tiêu là 16dB.
2.3. Sắp xếp tế bào và các mẫu cấp phát kênh
Việc tiếp cận hệ thống tế bào thông th-ờng đối với quy hoạch
kênh giả thiết là một lưới hình lục giác có thể quan sát như tập hợp
các nhóm tế bào trong đó mỗi nhóm bao gồm số lượng tế bào cho
trước và với các kênh có thể được sử dụng chỉ một lần. Nhóm tế bào
tạo ra các mẫu lát. Đối với mẫu lặp lại này, một số kích cỡ nhóm nhất
định được xác định như sau:

tín hiệu xuyên nhiễu, lần lượt được xác định bởi các giá trị tổn thất
đường truyền đến trạm cơ sở tế bào phục vụ và các trạm cơ sở xuyên
nhiễu. Với tất cả các điều kiện khác là như nhau, các giá trị tổn thất
đường truyền là tỷ lệ với khoảng cách và số mũ tổn thất đường truyền
n. Đối với một máy di động ở mép tế bào của vùng phục vụ (tại
khoảng cách R từ trạm cơ sở phục vụ), tỷ số tín hiệu trên xuyên nhiễu
kí hiệu là , được viết dưới dạng:











Giả thiết rằng tất cả các xuyên nhiễu NI là cùng khoảng cách
từ MS (D1 = D2 = = Di = D), thì SIR có thể được viết theo kích
thước của nhóm:








Hay:




















Một ví dụ cấp phát kênh băng tần số con được chỉ ra trong
hình 2.4. Trong trường hợp này, mỗi tế bào được phân chia thành 3
sector 1200, đây là một cấu hình tiêu biểu trong các hệ thống tế bào.
áp dụng kiểu cấp phát kênh này cho trường hợp 21 kênh với độ rộng
băng 6 MHz sẽ được phân chia thành 7 nhóm, mỗi nhóm 3 kênh và
một trong ba được cấp phát cho mỗi sector ,  hay . Kết quả là 6
MHz phổ tần khả dụng cho các máy di động trong vùng phục vụ của
sector đó. Độ rộng băng 6 MHz có thể phân chia thêm nữa để phù hợp
với công nghệ được triển khai.
Việc cấp phát kênh này được giả thiết phân bố địa lý của lưu
lượng là đồng đều. Tuy nhiên, phân bố thường là không đồng đều.


Do những hạn chế này, việc tiếp cận nhóm tế bào để cấp phát
kênh không phải là một sự lựa chọn tốt cho việc cấp phát các kênh
trong hệ thống tế bào. Thay vào đó, tiếp cận tối ưu có thể sử dụng mà
không đòi hỏi cấp phát kênh đồng đều hay cấp phát kênh theo nhóm. 24

Chương 3. Tối ưu hóa cấp phát kênh tĩnh

Việc tối ưu hoá cấp phát kênh cố định trong mạng di động tế bào là bài
toán tối ưu chất lượng mạng. Đối với mạng bất kỳ có kích thước hợp lý chỉ có
thể nhận được các giải pháp gồm tối ưu bằng các thuật toán kinh nghiệm.Vấn
đề cấp phát một tập kênh cho mỗi tế bào sao cho hiệu quả nhất về phổ được
gọi là vấn đề cấp phát kênh. Cấp phát kênh là điều rất quan trọng trong quy
hoạch mạng di động tế bào bởi việc cấp phát kênh hiệu quả sẽ tạo ra hiệu quả
sử dụng phổ tần có sẵn. Tuy nhiên, vấn đề cấp phát kênh lại thuộc vào lớp các
bài toán tối ưu tổ hợp. Nói chung, đối với các mạng di động có kích thước
hợp lý việc giải quyết bài toán này là điều rất khó khăn. Trong chương này sẽ
tìm hiểu về các phương pháp tối ưu hóa cấp phát kênh tĩnh trong mạng di
động tế bào dựa vào ba chiến lược cấp phát kênh và hai phương pháp sắp xếp
thứ tự của tế bào.
3.1. Xây dựng bài toán
Ba điều kiện bắt buộc thường xuyên được lưu ý trong vấn đề cấp
phát kênh:
- Hạn chế xuyên nhiễu đồng kênh: một kênh được cấp phát cho
một tế bào không thể tái sử dụng trong các tế bào lân cận. Những tế
bào này nằm trong phạm vi xuyên nhiễu đồng kênh.
- Hạn chế xuyên nhiễu kênh lân cận: các kênh được cấp phát cho