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 Kỹ thuật
Hà Nội- 2005
bộ giáo dục và đào tạo bộ quốc phòng

học viện kỹ thuật quân sự

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

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


SNR

Signal - to - Noise Ratio

Tỷ số tín hiệu trên tạp âm
SINR

Signal - to - Interference Noise
Ratio

Tỷ số tín hiệu trên tạp âm xuyên
nhiễu
SIR Signal - to - Interference Ratio
Tỷ số tín hiệu trên xuyên nhiễu
TDD

Time Division Duplexing

Song công phân chia theo thời gian
TDMA

Time Division Multiple
Access

Đa truy nhập phân chia theo thời
gian
UMTS Universal Mobile
Telecommunications Service
Dịch vụ viễn thông di động toàn cầu


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


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
ả
nh hởng của X và Y đối với chất lợng của các thuật
toán FR/CR và FR/DR
68
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
R/DR
65
Bảng 3.2 Phạm vi tần số nhận đợc bởi FR/CR và FR/DR với
(7,2,5) và yêu cầu kênh trờng hợp I

22
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
(b) Các đờng tính toán xuyên nhiễu TDD
32
Hình 3.1 Gán kênh cố định trong hệ thống di động tế bào
48
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
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

mạng di động tế bào.

Chơng 1
Giới thiệu chung
Thông tin vô tuyến tế bào đã 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.

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 bào cung cấp vùng phủ sóng bằng sử dụng rất
nhiều 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 vực phủ sóng ra thành nhiều tế bào nhỏ với 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

S
(d
N
) 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 d
S
và d
N
, mà bởi tỷ số giữa
chúng. Nhờ đó có thể sử dụng cách biểu diễn lý thuyết graph về điều kiện khoảng
cách dùng lại trong mạng tế bào.
Nh đã chỉ ra ở hình 1.2, giả sử rằng mọi tế bào đều có cùng bán kính r. Khi
đó bất cứ ngời 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 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 ngời sử dụng nào trong tế bào C sẽ là (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
tSNR =
Công suất tín hiệu

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 hệ thống trớc khi chuyển sang một hệ thống 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 đã 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.

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 đã thúc đẩy việc nghiên cứu về việc sử dụng 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 ngời sử dụng có thể ở mức tối đa với 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 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 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 có thể cung cấp hớng tiếp cận có tính
lý thuyết 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).


thiết lập bởi thông tin lu lợng, cùng với Q
o
S, 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 chặt chẽ
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 trúc tế bào truyền thống cho hệ thống tế bào đợc chỉ ra trong hình 2.1. Cấu
trúc lới lục giác cơ bản cho các lớp tế bào đợc chấp nhận bởi nó biểu diễn sự phủ
sóng liên tục của vùng 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.